หลักการทำงานของไดโอด TVS: การแตกตัวแบบเอเวลานช์และการกลไกการป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD)

การตอบสนองจากการแตกตัวแบบเอเวลานช์ต่อเหตุการณ์แรงดันเกินชั่วคราว

ไดโอด TVS ทำงานโดยใช้ปรากฏการณ์การแตกตัวแบบควบคุมที่ข้อต่อ P-N เพื่อป้องกันวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ โดยปกติอุปกรณ์เหล่านี้จะอยู่นิ่งๆ โดยมีความต้านทานสูง จึงไม่รบกวนการทำงานปกติ แต่เมื่อเกิดความผิดปกติและแรงดันไฟฟ้าเพิ่มสูงเกินระดับที่ปลอดภัย ไดโอดจะเข้าทำงานทันที ในระยะเวลาเพียงหนึ่งในล้านล้านของวินาที มันจะสร้างเส้นทางลัดพิเศษเพื่อเบี่ยงเบนอนุกรมไฟฟ้าอันตรายออกไปจากรายละเอียดที่เปราะบางในวงจร สิ่งที่ทำให้กระบวนการนี้น่าทึ่งคือความน่าเชื่อถือที่คงที่แม้จะใช้งานซ้ำแล้วซ้ำอีกเป็นเวลานาน ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น IEC 61000-4-2 ไดโอด TVS รุ่นใหม่สามารถทนต่อทั้งแรงดันไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการที่คนสัมผัสอุปกรณ์ (สูงถึง ±8 กิโลโวลต์) ไปจนถึงแรงดันไฟฟ้ากระชากขนาดใหญ่ที่เกิดจากฟ้าผ่าใกล้เคียง ประสิทธิภาพของมันขึ้นอยู่กับการออกแบบข้อต่อสารกึ่งตัวนำอย่างชาญฉลาด รวมถึงความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็วมากกว่า 0.5 นาโนวินาที

การกระทำยึดตรึงแบบเรียลไทม์ระหว่างเหตุการณ์ ESD และไฟกระชาก

เมื่อถูกกระตุ้น ไดโอด TVS จะเข้าสู่สิ่งที่เรียกว่าโหมดการล็อกแรงดัน (clamping mode) โดยพื้นฐานแล้ว มันจะจำกัดแรงดันในวงจรที่ได้รับการป้องกันให้อยู่ในระดับปลอดภัย ซึ่งเราเรียกว่าแรงดันล็อก หรือย่อว่า VCL สิ่งนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วทันทีหลังจากถึงจุด breakdown ไดโอดจะเบี่ยงเบนพลังงานไฟกระชากส่วนเกินไปยังพื้นดินอย่างปลอดภัย ในขณะที่รักษาระดับแรงดันด้านปลายทางไม่ให้เกินค่าที่ไอซีที่เชื่อมต่อสามารถรองรับได้ ส่วนประกอบลอจิกสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีขีดจำกัดสูงสุดประมาณ 20 โวลต์หรือน้อยกว่า หลังจากจัดการกับไฟกระชากแล้ว ไดโอด TVS จะฟื้นตัวกลับมาอย่างรวดเร็วและกลับสู่สถานะความต้านทานสูงตามปกติ ซึ่งช่วยป้องกันภาวะอันตราย เช่น ปัญหาแลตช์-อัพ (latch-up) หรือปัญหาความร้อนเกิน งานวิจัยชี้ให้เห็นว่า เมื่อมีการใช้งานระบบป้องกันด้วย TVS อย่างถูกต้อง จะช่วยลดปัญหาการคายประจุไฟฟ้าสถิตในอุปกรณ์ผู้บริโภคลงได้มากกว่าครึ่งหนึ่ง ทำให้การป้องกันด้วย TVS ไม่ใช่เพียงแค่สิ่งสำคัญ แต่แท้จริงแล้วจำเป็นต่อการรักษาการทำงานที่เชื่อถือได้ของระบบอิเล็กทรอนิกส์

พารามิเตอร์ไดโอด TVS ที่สำคัญ: แรงดันแตกตัว, แรงดันยึดจับ และแรงดันยืนอยู่เฉย

การเข้าใจข้อมูลจำเพาะของแรงดันสามชนิด – V _BR (แรงดันแตกตัว), V _Cl (แรงดันยึดจับ), และ V _WM (แรงดันใช้งาน/ยืนอยู่เฉย) – มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการป้องกันสัญญาณชั่วคราวที่มีประสิทธิภาพ

การตีความ V _BR (แรงดันแตกตัว), V _Cl (แรงดันยึดจับ), และ V _WM (แรงดันยืนอยู่เฉย) ในแผ่นข้อมูล

แรงดันไฟฟ้าทำงานสูงสุด (VWM) โดยพื้นฐานจะบ่งบอกถึงแรงดันย้อนกลับที่มากที่สุดที่ไดโอดสามารถทนได้ก่อนที่เราจะเริ่มเห็นกระแสไฟรั่วไหลอย่างชัดเจน ให้คิดว่าเป็นเส้นขีดจำกัดความปลอดภัยที่ไม่ควรข้าม จากนั้นมีค่าอัตราแรงดันแตกหัก (VBR) ซึ่งโดยทั่วไปจะสูงกว่า VWM ประมาณ 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ นี่คือจุดที่ไดโอดเริ่มนำไฟฟ้าในโหมดแอลาเวิน (avalanche mode) สำหรับการใช้งานจริง ระดับแรงดันล็อก (VCL) มีความสำคัญที่สุด เพราะแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าแรงดันสูงสุดชนิดใดที่จะถูกส่งต่อไปยังวงจรต่างๆ ที่ได้รับการป้องกันในช่วงที่เกิดแรงดันกระชาก เช่น 1 แอมป์ หรือแม้แต่ 10 แอมป์ การทดสอบในสภาพจริงพิสูจน์แล้วว่าตัวเลขนี้มีความสำคัญอย่างแท้จริง วิศวกรส่วนใหญ่ทราบดีว่าพวกเขาจำเป็นต้องควบคุม VCL ให้ต่ำกว่าข้อกำหนดแรงดันสูงสุดของไอซีที่อยู่ด้านล่าง (downstream integrated circuits) เสมอ เพราะเหตุใด? เนื่องจากเมื่อนักออกแบบเพิกเฉยต่อกฎข้อนี้ ปัญหาต่างๆ ก็จะเกิดขึ้น ตามข้อมูลจาก Electronics Reliability Quarterly เมื่อปีที่แล้ว พบว่าประมาณสองในสามของความล้มเหลวทั้งหมดในสนามจริงที่เกิดขึ้นที่อินเทอร์เฟซขาเข้า/ขาออก มาจากปัญหานี้โดยตรง

เหตุใดแรงดันคลamping ต่ำและเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (<1 นาโนวินาที) จึงสำคัญต่อการป้องกันวงจร

การควบคุมระดับแรงดันต่ำ (VCL) ให้เหมาะสมมีความสำคัญอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ออกแบบมาสำหรับทำงานที่ 8 โวลต์ จะไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องหากถูกสัมผัสกับแรงดันคลัมปิงที่ 10 โวลต์ ไม่ว่าข้อมูลจำเพาะของ VBR และ VWM จะดูดีเพียงใด ก็ตาม อีกหนึ่งปัจจัยสำคัญคือความเร็ว โดยพัลส์ ESD จะถึงกระแสสูงสุดภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาโนวินาที ซึ่งหมายความว่า องค์ประกอบที่ใช้เวลามากกว่า 5 นาโนวินาทีในการตอบสนอง (เช่น วาไรสเตอร์บางชนิด) จะปล่อยให้แรงดันไฟกระชากที่เป็นอันตรายผ่านเข้าไปก่อนที่จะเริ่มทำงาน จากผลการทดสอบเมื่อปีที่แล้วโดยสมาคม ESD ได้แสดงให้เห็นว่า ไดโอด TVS ที่ตอบสนองเร็วกว่า 500 พิโควินาที และมีคุณสมบัติ VCL ที่ดีกว่า สามารถลดการเสียหายของแผงวงจรลงได้ประมาณสามในสี่ เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ลดแรงดันไฟกระชากมาตรฐาน การปรับปรุงในระดับนี้มีความแตกต่างอย่างมากในการปกป้องอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความเสียหายจากไฟกระชากที่เกิดขึ้นเพียงชั่วขณะแต่มีความรุนแรง

ไดโอด TVS แบบไบเดอร์ริชันนัล เทียบกับ ยูนิเดอร์ริชันนัล: แนวทางการเลือกสำหรับอินเทอร์เฟซทั่วไป

ไดโอด TVS มีสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบทางเดียวและแบบสองทาง ซึ่งแต่ละชนิดถูกออกแบบมาเพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมสัญญาณที่เฉพาะเจาะจง ไดโอดแบบทางเดียวจะทำงานโดยการจำกัดแรงดันกระชากในทิศทางเดียวเท่านั้น ทำให้มันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เช่น พอร์ต USB หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์ ที่มักเกิดไฟกระชากสูงขึ้นจากระดับหนึ่งซ้ำๆ ในทางกลับกัน ไดโอด TVS แบบสองทางสามารถจัดการกับแรงดันกระชากทั้งบวกและลบได้อย่างมีประสิทธิภาพ เหล่านี้จึงมีความสำคัญมากเมื่อต้องจัดการกับสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) หรือระบบใดๆ ที่กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ทั้งสองทิศทาง เราจึงพบการใช้งานพวกนี้บ่อยครั้งในสายโทรศัพท์ การเชื่อมต่ออุปกรณ์เสียง และเครือข่ายบัส CAN ที่ซับซ้อนในยานยนต์สมัยใหม่

เมื่อเลือกระหว่างชนิดไดโอดที่แตกต่างกัน ความไวต่อขั้วไฟฟ้า (polarity sensitivity) ถือเป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่ง ไดโอดแบบทางเดียวจำเป็นต้องติดตั้งให้ถูกต้องตามแนวทิศทางที่กำหนด ขณะที่ไดโอดแบบสองทางให้อิสระแก่นักออกแบบมากขึ้นในการวางผังวงจร ตัวอย่างเช่น เส้นข้อมูล USB 2.0 และ 3.0 จะทำงานได้ดีกว่ากับอาร์เรย์แบบสองทาง เนื่องจากต้องรับมือกับสัญญาณรบกวนที่มาจากทั้งสองทิศทางพร้อมกัน แต่สายไฟฟ้า (Power rails) มักใช้ไดโอดแบบทางเดียว เพราะสามารถป้องกันได้ดีโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง ทั้งสองตัวเลือกตอบสนองที่ความเร็วใกล้เคียงกัน จนถึงระดับพิโควินาที แม้ว่าจะมีความแตกต่างกันในโครงสร้างภายใน แบบมาตรฐานที่เป็นทางเดียวมีเพียงข้อต่อ P-N เดียว ในขณะที่แบบสองทางรวมข้อต่อสองข้อเข้าด้วยกันแบบหันหลังชนกัน ซึ่งวิศวกรเรียกว่า การจัดเรียงแบบอนุกรมตรงข้าม (series opposition configuration)

การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานไดโอด TVS: แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับเลย์เอาต์ PCB และการป้องกันอินเทอร์เฟซ USB

การวางตำแหน่งอย่างมีกลยุทธ์ใกล้กับขั้วต่อ I/O และการลดแรงเหนี่ยวนำแบบพาราซิติกให้น้อยที่สุด

ตำแหน่งที่ติดตั้งไดโอด TVS มีความสำคัญอย่างยิ่ง ควรจัดวางไว้ใกล้กับขั้วต่อ I/O ให้มากที่สุด โดยห่างไม่เกิน 5 มม. เพื่อให้สามารถดักจับสัญญาณรบกวนชั่วขณะ (transients) เหล่านั้นได้ก่อนที่จะเข้าถึงแผงวงจรไฟฟ้า เมื่อเส้นทางเดินสัญญาณ (traces) ยาวเกินไป จะเริ่มก่อปัญหาเรื่องเหนี่ยวนำแบบพาราซิติก (parasitic inductance) ซึ่งจะทำให้แรงดันคลัมป์ (clamping voltage) เพิ่มขึ้นในช่วงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับนาโนวินาที โดยค่าที่เพิ่มขึ้นประมาณ 1.5 ถึง 2 โวลต์ ต่อการเพิ่มความยาวอีก 1 มิลลิเมตร สำหรับผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ควรใช้เส้นทางเดินสัญญาณที่กว้างและตรง โดยมีความหนาอย่างน้อย 20 mil เชื่อมต่อขากราวด์โดยตรงกับแผ่นกราวด์ที่มีคุณภาพดีและมีค่าเหนี่ยวนำต่ำ แทนที่จะใช้วิธีต่อกราวด์แบบอนุกรม (daisy chains) หรือแบ่งปันกับส่วนประกอบดิจิทัลอื่นๆ ที่สร้างสัญญาณรบกวน และโปรดระวังไม่ให้มีมุมเลี้ยวฉากหรือ via ที่ไม่จำเป็นตามเส้นทางป้องกันเหล่านี้ รายละเอียดเล็กๆ เหล่านี้มีความแตกต่างอย่างมากในการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ (signal integrity) และเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการคลัมป์ที่รวดเร็วและเชื่อถือได้ตามที่ต้องการ

การออกแบบการป้องกัน USB 2.0/3.0 ที่ทนทานด้วยไดโอด TVS

ต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเมื่อทำงานกับอินเทอร์เฟซ USB เมื่อจัดการกับความเร็วสูงถึง 5 Gbps ของ USB 3.0 วิศวกรจำเป็นต้องเลือกอาร์เรย์ TVS ที่มีค่าความจุต่ำมาก ต่ำกว่า 0.5 พิโกฟารัดต่อเส้น เพื่อรักษานิ่งสัญญาณให้สะอาด และป้องกันปัญหาภาพตา (eye diagram) ที่น่ารำคาญ องค์ประกอบที่เหมาะสมก็สำคัญเช่นกัน ควรเลือกไดโอดแบบสองทิศทางที่สามารถทนแรงดันได้อย่างน้อย 5 โวลต์ ในขณะที่รักษาระดับแรงดันคลัมป์ไว้ต่ำกว่า 9 โวลต์ สิ่งนี้ช่วยปกป้องทั้งสองด้านของการเชื่อมต่อจากความเสียหาย อีกหนึ่งปัจจัยสำคัญคือกลยุทธ์การต่อสายดิน การต่อสายดินแบบดาว (Star grounding) จะให้ผลดีที่สุด โดยการต่อจุดดินของ TVS ทั้งหมดโดยตรงไปยังแผ่นดินเฉพาะสำหรับโครงเครื่อง (chassis) หรือระนาบดินแอนะล็อกแยกต่างหาก การติดตั้งนี้ช่วยป้องกันปัญหา ground bounce ระหว่างกระแส ESD ที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน เนื่องจากพอร์ต USB-C กำลังกลายเป็นเรื่องธรรมดาในปัจจุบัน จึงสมเหตุสมผลที่จะรวมการป้องกันเส้นแบบดิฟเฟอเรนเชียลเข้ากับตัวลดแรงดันเฉพาะสำหรับเส้น CC ซึ่งสามารถจัดการทั้งแรงดันกระชากจากการถ่ายโอนข้อมูลและแรงดันผันผวนจากระบบจ่ายไฟที่เปลี่ยนแปลงได้ ที่สำคัญที่สุด คือการทดสอบตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 Level 4 (หมายถึงการทนต่อการปล่อยประจุแบบ contact ที่ 8 kV) แสดงให้เห็นว่าวิธีนี้ช่วยให้ USB 3.0 ทำงานที่ความเร็วเต็มประสิทธิภาพ พร้อมทั้งยังคงสามารถต้านทานภัยคุกคามจากไฟฟ้าสถิตได้อย่างมั่นคง

คำถามที่พบบ่อย

ไดโอด TVS มีหน้าที่หลักอะไร

ไดโอด TVS ป้องกันวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ปรากฏการณ์การแตกตัวแบบควบคุมที่ข้อต่อ P-N เพื่อดูดซับและเบี่ยงเบนแรงดันกระชากออกไปจากชิ้นส่วนที่ไวต่อแรงดัน

เวลาตอบสนองของไดโอด TVS เร็วแค่ไหน

ไดโอด TVS ตอบสนองในเวลาไม่ถึง 0.5 นาโนวินาที จึงสามารถป้องกันได้ทันทีเมื่อเกิดเหตุการณ์แรงดันเกินชั่วคราว

ความแตกต่างระหว่างไดโอด TVS แบบทางเดียวและสองทางคืออะไร

ไดโอด TVS แบบทางเดียวเหมาะสำหรับวงจร DC และจำกัดแรงดันกระชากในทิศทางเดียว ในขณะที่แบบสองทางสามารถจัดการกับแรงดันกระชากจากทั้งสองทิศทางในสภาวะสัญญาณ AC

ทำไมการจัดวางตำแหน่งไดโอด TVS บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จึงมีความสำคัญ

ไดโอด TVS ควรอยู่ใกล้กับขั้วต่อ I/O เพื่อลดผลของเหนี่ยวนำแบบพาราซิติก และสามารถดูดซับแรงดันกระชากชั่วคราวได้อย่างรวดเร็ว เพื่อให้มั่นใจว่าการป้องกันวงจรมีประสิทธิภาพ