Način rada TVS dioda: Lavinski proboj i mehanizam zaštite od ESD-a

Lavinski proboj kao odgovor na tranzijentne prenaponske događaje

TVS diode funkcionišu koristeći kontrolisani lavinski proboj na svojim P-N spojevima kako bi zaštitili elektronička kola. Normalno, ovi uređaji ne rade ništa posebno, već jednostavno miruju sa visokom otpornošću tako da ne ometaju redovan rad. Međutim, kada dođe do kvara i napon premaši bezbednu granicu, dioda se aktivira gotovo trenutno. Unutar trilionitih delova sekunde, stvara kratkospojnu stazu koja odvlači opasne električne udare od osetljivih delova kola. Ono što čini ovaj sistem izuzetno zanimljivim je njegova dosledna pouzdanost, čak i nakon višestrukog korišćenja tokom vremena. Prema industrijskim standardima kao što je IEC 61000-4-2, savremeni TVS diodi mogu podneti sve – od statičkih pražnjenja koja nastanu kada ljudi dodirnu opremu (do plus/minus 8 kilovolata), pa sve do ogromnih prenapona uzrokovanih udarima munje u blizini. Njihova efikasnost rezultat je pametnog inženjerskog pristupa projektovanju poluprovodničkog spoja, kombinovanog sa neverovatno brzim vremenom reakcije manjim od 0,5 nanosekundi.

Реално време причвршћивања током ESD и прекомерних напонских догађаја

Када се активира, TVS диода прелази у такозвани режим ограничавања. У основи, она ограничава напон на заштићеним колима на безбедну вредност коју називамо напон ограничавања или кратко VCL. Ово се дешава веома брзо након што се достигне тачка пробоја. Диода затим преусмерава вишак енергије прекомерног напона безбедно на земљу, истовремено одржавајући напон низводно испод вредности коју повезана интегрисана кола могу да поднесу. Већина модерних логичких компоненти има горњу границу од око 20 волти или мање. Након што обради прекомерни напон, TVS диода брзо се опоравља и враћа у своје нормално стање високе отпорности. Ово спречава опасне услове попут закључавања (латч-ап) или проблема прегревања. Исследивања показују да правилна имплементација TVS заштите смањује проблеме са електростатичким пражњењем у потрошачким уређајима за више од половине. Због тога је TVS заштита не само важна, већ заправо неопходна за одржање поузданог рада електронских система.

Кључни параметри TVS диода: Пробојни, клампинг и радни напон

Разумевање три спецификације напона – V _БР (Пробојни напон), V _ЛЛ (Клампинг напон) и V _WM (Радни напон/Стандоф) – од суштинског је значаја за ефикасну заштиту од пренапона.

Тумачење V _БР (пробојни), V _ЛЛ (клампинг) и V _WM (стенд оф) у техничким листовима

Максимални радни напон (VWM) у суштини нам говори колики је највиши обрнут напон који диода може да поднесе пре него што почнемо да примећујемо приметне струје цурења. Замислите то као линију сигурносног ограничења коју не треба прелазити. Постоји и оцена напона пробијања (VBR), која је обично за отприлике 10 до 15 процената виша од VWM. Ово је тачка у којој диода почиње да проводи струју у лавинском режиму. У пракси, најважнији је ниво ограничавања напона (VCL), јер показује тачно која врста максималног напона пролази до кола која су заштићена током прекомерних напона као што су 1 ампер или чак 10 ампера. Испитивања у реалним условима доказују да ова вредност заиста има значаја. Већина инжењера зна да морају да задрже VCL добар део испод максималних спецификација напона за интегрисана кола која долазе после. Зашто? Зато што када пројектанти занемаре ово правило, дешавају се непријатне ствари. Према подацима из часописа Electronics Reliability Quarterly прошле године, отприлике две трећине свих отказа у пољу на интерфејсима улаза/излаза последица су управо овог проблема.

Zašto su niski napon prigušenja i brzo vreme reagovanja (<1 ns) važni za zaštitu kola

Ниска VCL је веома битна. Узмите микроконтролер дизајниран за 8 волти – једноставно неће радити исправно када је изложен ограничавању од 10 волти, без обзира колико добри изгледају спецификације VBR и VWM на папиру. Брзина је још један веома важан фактор. Импулси ЕСД-а достигну своју максималну струју у мање од једног наносекунде, што значи да компоненте које имају више од 5 нс да реагују (као што су неки вариcтори) пропуштају штетне напонске импулсе пре него што икада активирају. Према тестовима Асоцијације за ЕСД из прошле године, ТВС диоде које реагују брже од 500 пикосекунди и имају боље карактеристике VCL смањују кварове плати око три четвртине у поређењу са стандардним уређајима за потискивање. Такав напредак чини огромну разлику у заштити осетљиве електронике током кратких али интензивних електричних прекидних струја.

Биполарне и униполарне ТВС диоде: Смернице за избор за уобичајене интерфејсе

TVS diode dolaze u dve glavne verzije: jednosmerne i dvosmerne, pri čemu je svaka namenjena specifičnim signalnim okruženjima. Jednosmerne diode ograničavaju prenaponske impulse samo u jednom smeru, zbog čega su odlične za korišćenje u DC koloima. Zamislite stvari poput USB priključaka ili elektronike u automobilima gde naponski udari teže da se pojavljuju iznad određene granice ponovljeno. S druge strane, dvosmerne TVS diode podjednako dobro upravljaju i pozitivnim i negativnim prenaponskim impulsima. Ove diode su veoma važne kada je reč o AC signalima ili bilo kom sistemu u kome struja može da teče u oba smera. Često ih srećemo u telefonskim linijama, priključcima audio opreme i složenim mrežama tipa CAN bus u modernim vozilima.

Приликом бирања између различитих типова диода, осетљивост на поларност истиче се као главни фактор. Унидирекционалне диоде морају бити исправно постављене са одређеном оријентацијом, док њихове бидирекционалне варијанте дизајнерима омогућавају много већу слободу приликом распореда кола. Узмите на пример USB 2.0 и 3.0 линије за податке — боље функционирају са бидирекционалним низовима јер обрађују буку која долази са оба правца истовремено. С друге стране, напојнице углавном користе унидирекционалне диоде јер обезбеђују добру заштиту без превеликих трошкова. Обе опције имају сличне брзине одзива до пико-секунди, иако постоји разлика у начину њихове унутрашње изградње. Стандардни унидирекционални модели имају само један P-N спој, док бидирекционални комбинују два споја спојена назад уназад, што инжењери називају конфигурацијом серијског супротстављања.

Оптимизација имплементације TVS диода: Најбоље праксе за распоред на штампаној плочи и заштиту USB интерфејса

Стратегијско постављање у близини I/O конектора и минимизација паразитске индуктивности

Где се постављају ТВС диоде заиста је важно. Треба да буду постављени супер близу тих И/О коннектора, пожељно не више од 5 мм, тако да могу да ухвате те досадне транзијенте пре него што стигну до плоче. Када трагови постану превише дуги, они почињу да узрокују проблеме са паразитарном индуктивношћу, што заправо повећава напон за заплене током тих брзих наносекунди. Говоримо о повећању од око 1,5 до 2 волта за сваки додатни милиметар. За најбоље резултате, користите широке, праве трагове дебљине најмање 20 милилитара. Прикључите ту заземљивачку пину директно на доброквалитетну, ниску индуктивност заземљивачке плочине уместо да се ослањате на ланце или да је делите са другим бучним дигиталним компонентама. И запамтите да се држите подаље од углова у правом углу и непотребних проток на путу заштите. Ови мали детаљи чине разлику када је у питању одржавање интегритета сигнала и добијање брзе, поуздане акције за запљачкање коју нам је потребна.

Пројектовање отпорне заштите за USB 2.0/3.0 помоћу TVS диода

Потребна је посебна пажња при раду са USB интерфејсима. Када је реч о импресивној брзини од 5 Gbps на USB 3.0, инжењерима је потребно да одаберу TVS низове са веома ниском капацитивношћу испод 0,5 pF по линији како би сигнали остали чисти и спречили досадне проблеме са дијаграмом ока. Важни су и прави компоненти – тражите биполарне диоде које могу да поднесу барем 5 волти, а да при том задрже напон заштите испод 9 волти. Ово штити обе стране везе од оштећења. Стратегија повезивања са земљом је још један кључни фактор. Најбоље функционише звездасто повезивање, при чему се све TVS масе повезују директно на посебну оквирну масу или одвојену раван аналогне масе. Ова конфигурација помаже у спречавању проблема са скоком потенцијала масе током изненадних ESD прекомерних напона. С обзиром да су USB-C порте данас све уобичајеније, логично је комбиновати заштиту диференцијалних линија са специфичним CC гасилицама. Оне решавају и прекомерне напоне при преносу података и флуктуације при достави енергије. Најважније је, тестирани према стандарду IEC 61000-4-2 нивоа 4 (што значи издржавање контакта од 8 kV) показују да ова метода омогућава USB 3.0 да ради на максималној брзини и да истовремено отпорно стоји електростатичким претњама.

Često postavljana pitanja

Која је основна функција TVS диода?

TVS диоде штите електронска кола коришћењем контролисаног пробоја лавине на P-N спојевима како би ухватиле и пренесле прекомерне напонске импулсе од осетљивих компоненти.

Колико је време одзива TVS диода?

TVS диоде реагују за мање од 0,5 наносекунде, обезбеђујући тренутну заштиту током тренутних догађаја прекомерног напона.

Које су разлике између једносмерних и двосмерних TVS диода?

Једносмерне TVS диоде погодне су за DC кола и ограничавају напонске импулсе у једном смеру, док двосмерне управљају напонским импулсима из оба смера у AC сигнализационим срединама.

Зашто је позиција TVS диода важна на распореду штампане плоче (PCB)?

TVS диоде треба да буду близу I/O конектора како би се минимизирао утицај паразитске индуктивности и брзо ухватили тренутни напонски импулс, чime се осигурава ефикасна заштита кола.