หลักการทำงานของไดโอด TVS: การคลัมป์แบบอัลตราฟ้าส์ตผ่านปรากฏการณ์การแตกตัวแบบแอเวอแลนช์

หลักฟิสิกส์ของการแตกตัวแบบแอเวอแลนช์ที่ทำให้สามารถตอบสนองต่อสัญญาณรบกวนชั่วคราวได้ภายในระดับนาโนวินาที

ไดโอด TVS ช่วยป้องกันวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์จากความเสียหายภายในเศษเสี้ยวของวินาที โดยอาศัยหลักการใช้ปรากฏการณ์การล้มสลายแบบแอเวอแลนช์ (avalanche breakdown) ที่ควบคุมได้ในสารกึ่งตัวนำซิลิคอนที่ถูกขั้วกลับ (reverse biased) อย่างชาญฉลาด เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้นอย่างฉับพลันจนเกินค่าแรงดันที่ไดโอดสามารถทนได้ (เรียกว่า VBR) จะเกิดปรากฏการณ์ที่น่าสนใจขึ้นในระดับอะตอม คือ ปรากฏการณ์การชนทำให้เกิดไอออน (impact ionization) ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ทำให้อิเล็กตรอนและโฮล (holes) เพิ่มจำนวนขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดเส้นทางการนำไฟฟ้าที่ทำหน้าที่เบี่ยงเบนพลังงานส่วนเกินออกไปทันทีดั่งการลัดวงจร กล่าวคือ ไดโอดเหล่านี้มีเวลาตอบสนองต่ำกว่าหนึ่งนาโนวินาที จึงมีประสิทธิภาพสูงมากในการรับมือกับการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (electrostatic discharges) ที่เกิดขึ้นเร็วเกินกว่าจะถูกจัดการโดยวิธีอื่นๆ ความแม่นยำของค่า VBR ขึ้นอยู่กับกระบวนการเติมสารเจือ (doping) วัสดุสารกึ่งตัวนำโดยผู้ผลิตในระหว่างการผลิตเป็นหลัก การปรับแต่งอย่างละเอียดรอบคอบนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถควบคุมค่า VBR ให้อยู่ในช่วงแคบมาก โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ ±5% ถึง ±10% แล้วอะไรคือจุดเด่นที่ทำให้ไดโอด TVS แตกต่างจากตัวเลือกอื่น เช่น MOV หรือท่อปล่อยประจุแบบแก๊ส (gas discharge tubes) คำตอบคือ ไดโอด TVS ไม่ขึ้นอยู่กับการสะสมความร้อนหรือชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว แต่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์เชิงควอนตัมที่เกิดขึ้นภายในวัสดุสถานะแข็ง (solid state materials) ซึ่งมอบสมรรถนะที่มีเสถียรภาพสูงมาก แม้ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือหลังการใช้งานมาเป็นเวลานานหลายปี

พฤติกรรมการยึดจับแบบเรียลไทม์ระหว่างเหตุการณ์ ESD และแรงดันกระชาก

เมื่อเปิดใช้งาน ไดโอด TVS จะจำกัดการพุ่งขึ้นของแรงดันไฟฟ้าอย่างฉับพลันให้อยู่ที่สิ่งที่เรียกว่าแรงดันจำกัด (VC) ซึ่งมักสูงกว่าแรงดันทะลุ (VBR) ประมาณร้อยละ 20 ถึง 30 ตัวอย่างเหตุการณ์ ESD ตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 คือแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วภายในเวลา 5 นาโนวินาที ไดโอดจะเริ่มทำงานในการจำกัดแรงดันเกือบในทันที จริง ๆ แล้วภายในนาโนวินาทีแรกนั้นเอง จึงสามารถหยุดยั้งแรงดันสูงสุดที่อาจก่ออันตรายไม่ให้ไปถึงวงจรรวม (IC) ที่ไวต่อแรงดันซึ่งอยู่ด้านหลังได้ สำหรับกระแสไฟฟ้าที่ผันผวนอย่างรุนแรงและยาวนานขึ้น เช่น คลื่นรูปแบบ 8/20 ไมโครวินาที ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐาน IEC 61000-4-5 ไดโอดเหล่านี้สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่มากที่วัดได้เป็นพันแอมแปร์ (IPP) โดยเบี่ยงเบนกระแสเหล่านั้นไปยังพื้นดินอย่างปลอดภัย ในขณะที่ยังคงรักษาระดับแรงดันจำกัด (VC) ให้อยู่ต่ำกว่าค่าที่จะทำให้ชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อเสียหาย ไดโอด TVS มีสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบสองทิศทาง (bidirectional) ซึ่งเหมาะมากสำหรับการเชื่อมต่อแบบ AC ที่ไม่จำเป็นต้องพิจารณาขั้วบวก-ลบ และแบบหนึ่งทิศทาง (unidirectional) ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าในระบบ DC เนื่องจากมีแรงดันตกคร่อม (forward voltage) ต่ำกว่าเมื่อทำงานในการจำกัดแรงดัน สิ่งที่ทำให้ไดโอด TVS มีประโยชน์อย่างแท้จริงคือลักษณะการรีเซ็ตตัวเอง (self-resetting) กล่าวคือ หลังจากแรงดันไฟฟ้าที่พุ่งขึ้นผ่านไปแล้ว ไดโอดจะกลับสู่สถานะความต้านทานสูงตามปกติโดยอัตโนมัติ โดยไม่จำเป็นต้องรีเซ็ตด้วยตนเอง หรือต้องจัดการกับปัญหาการล็อก (latch-up) ซึ่งอาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์ป้องกันชนิดอื่น

พารามิเตอร์หลักของไดโอด TVS ที่วิศวกรทุกท่านต้องเข้าใจ

VRWM, VBR, VC และ IPP — การแปลงข้อมูลจำเพาะจากแผ่นข้อมูล (datasheet) ให้เป็นค่าระยะความปลอดภัยในการป้องกันที่มีประสิทธิภาพ

พารามิเตอร์สี่ประการที่ควบคุมการเลือกใช้ไดโอด TVS อย่างมีประสิทธิผลและเชื่อถือได้ในระดับระบบ:

• V _RWM (แรงดันย้อนกลับแบบไม่ทำงาน) ต้องสูงกว่าแรงดันใช้งานสูงสุดของวงจร—โดยแนะนำให้สูงกว่า 10–15%—เพื่อหลีกเลี่ยงกระแสไหลรั่วหรือการทริกเกอร์ผิดพลาดในระหว่างการใช้งานปกติ
• V _BR (แรงดัน Breakdown) กำหนดจุดเริ่มต้นของการนำไฟฟ้าแบบแอลลาเวนช์ (avalanche conduction); เพื่อระยะความปลอดภัยที่เหมาะสม ค่าควรอยู่ที่ 1.2–1.5 เท่าของ V _RWM .
• V _C (แรงดันจำกัด) คือแรงดันสูงสุดที่องค์ประกอบด้านปลายน้ำจะได้รับในระหว่างการไหลของกระแสไอพีพี (I_PP) ที่ระบุไว้ _Pp ซึ่งต้องคงอยู่ต่ำกว่าเกณฑ์แรงดันทำลายต่ำสุดของไอซีที่ได้รับการป้องกันอย่างปลอดภัย
• ฉัน _Pp (กระแสพัลส์สูงสุด) ระบุความสามารถในการจัดการแรงดันกระชากภายใต้คลื่นรูปแบบมาตรฐาน (เช่น 8/20 ไมโครวินาที) โดยค่าที่สูงขึ้นแสดงถึงความสามารถในการดูดซับพลังงานที่มากขึ้น

วิศวกรควรลดค่า I ลง 20% _Pp สำหรับทุกการเพิ่มขึ้น 50°C เหนืออุณหภูมิแวดล้อม 25°C และตรวจสอบค่า V _BR ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ภายใต้ช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เพื่อให้มั่นใจว่าขอบเขตการป้องกันจะคงที่

พิจารณาค่าความจุสำหรับอินเทอร์เฟซความเร็วสูง (USB, HDMI, Ethernet)

ความจุรอยต่อ (C _J ) มีผลโดยตรงต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณบนสายข้อมูลความเร็วสูง แม้ค่าความจุที่เพิ่มเข้ามาเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เนื้อหาความถี่สูงลดลง และทำให้อัตราการเปลี่ยนผ่านของสัญญาณบิดเบือน—ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดของบิต หรือความล้มเหลวของการเชื่อมต่อ ค่าเป้าหมายนั้นมีความเข้มงวดมาก:

• USB 3.2 Gen 2 (10 Gbps): ≤1.0 pF
• HDMI 2.1 (48 Gbps): ≤0.3 pF
• 10GbE Ethernet: ≤0.8 pF

ไดโอด TVS แบบสองทิศทางมีค่าความจุสูงกว่าไดโอด TVS แบบทิศทางเดียวโดยธรรมชาติ เนื่องจากมีการออกแบบขั้วต่อแบบคู่นี้ เมื่อต้องการลดผลกระทบเชิงรบกวน (parasitic effects) ที่น่ารำคาญเหล่านั้น จึงสมเหตุสมผลที่จะวางส่วนประกอบ TVS ที่มีค่าความจุต่ำไว้ห่างจากขั้วต่อหรือแผ่นวงจรรวม (IC pads) ไม่เกินประมาณครึ่งนิ้ว นอกจากนี้ การออกแบบเส้นนำสัญญาณ (traces) ให้มีความกว้างและตรงเป็นพิเศษก็มีความสำคัญด้วย โดยทั่วไปแล้วความกว้างอย่างน้อย 20 มิล (mils) จะให้ผลดีในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ การเชื่อมต่อแผ่นกราวด์ (ground pad) อย่างเหมาะสมก็มีความสำคัญเช่นกัน ควรเชื่อมต่อแผ่นกราวด์โดยตรงเข้ากับระนาบอ้างอิงที่มีคุณภาพดี (good solid reference plane) โดยใช้รูเจาะไฟฟ้า (vias) หลายรู แทนที่จะใช้เพียงรูเดียวเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดค่าอิมพีแดนซ์แบบเหนี่ยวนำ (inductive impedance) ที่อาจทำให้ปัญหาแรงดันเกิน (voltage overshoot) แย่ลงหากไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม

การปฏิบัติตามมาตรฐานและการประเมินประสิทธิภาพของไดโอด TVS ภายใต้สถานการณ์ภัยคุกคามตามมาตรฐาน

การปฏิบัติตามข้อกำหนด IEC 61000-4-2 (ESD), -4-4 (EFT) และ -4-5 (surge)

ไดโอด TVS ถูกออกแบบมาเพื่อรับมือกับข้อกำหนดด้านความทนทานต่อสัญญาณรบกวนที่เข้มงวดเหล่านี้ และมักจะเกินกว่าสิ่งที่จำเป็นอย่างมาก เมื่อพิจารณาตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 องค์ประกอบเหล่านี้สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าสถิต (ESD) แบบสัมผัสที่รุนแรงถึง 30 กิโลโวลต์ได้อย่างรวดเร็ว พร้อมหยุดยั้งสัญญาณดังกล่าวก่อนที่จะทำลายไมโครคอนโทรลเลอร์หรือไอซีอินเทอร์เฟซที่ไวต่อสัญญาณ ไม่ว่าจะเป็นการเสียหายทันทีหรือเสียหายสะสมในระยะยาว นอกจากนี้ ไดโอดเหล่านี้ยังทำงานได้ดีเยี่ยมกับชุดคลื่นรบกวนแบบเร็วซ้ำๆ (EFT bursts) ด้วย (ตามมาตรฐาน IEC 61000-4-4 ที่ความถี่ประมาณ 5 กิโลเฮิร์ตซ์ ถึง 100 กิโลเฮิร์ตซ์) เวลาในการฟื้นตัวที่รวดเร็วร่วมกับความต้านทานแบบไดนามิกต่ำ หมายความว่าไดโอดเหล่านี้สามารถเบี่ยงเบนสัญญาณชั่วคราวที่มีกระแสสูงหลายแอมแปร์ออกจากสายส่งข้อมูลได้โดยไม่รบกวนการสื่อสารแต่อย่างใด ในการทดสอบแรงกระแทกพลังงานสูงภายใต้ข้อกำหนดของ IEC 61000-4-5 ไดโอด TVS ที่ผ่านการรับรองอย่างเหมาะสมสามารถทนต่อแรงกระแทกได้สูงสุดถึง 6 กิโลโวลต์/3 กิโลแอมแปร์ ระหว่างสายส่งและสายกราวด์ โดยยังคงรักษาประสิทธิภาพการทำงานให้คงที่ไว้ได้โดยไม่มีความล้มเหลวครั้งใหญ่แต่อย่างใด การทดสอบอิสระแสดงให้เห็นว่าไดโอดเหล่านี้สามารถทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่รุนแรงมาก (ตั้งแต่ -40°C ไปจนถึง +125°C) และสอดคล้องกับมาตรฐานความทนทานระดับ Class 4 วิศวกรฝ่ายออกแบบชื่นชอบความสามารถของชิ้นส่วนเหล่านี้ในการรวมระบบป้องกันไว้ในองค์ประกอบเดียวที่เชื่อถือได้ แทนที่จะต้องใช้ตัวกรองและอุปกรณ์จำกัดแรงดัน (clamping devices) หลายชั้น การทำให้โครงสร้างเรียบง่ายขึ้นนี้ช่วยลดจำนวนชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับรายการวัสดุ (Bill of Materials) ทำให้กระบวนการรับรองเป็นไปได้ง่ายขึ้น และโดยรวมแล้วส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้นเมื่อนำไปใช้งานจริงในสนาม

แนวทางปฏิบัติที่เป็นประโยชน์ในการเลือกไดโอด TVS และการจัดวางวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างเหมาะสม

ไดโอด TVS แบบสองทิศทางเทียบกับแบบหนึ่งทิศทาง: การจับคู่ขั้วไฟฟ้า การต่อสายดิน และการครอบคลุมสถานการณ์ผิดปกติ

เมื่อต้องตัดสินใจระหว่างไดโอด TVS แบบสองทิศทาง (bidirectional) กับแบบหนึ่งทิศทาง (unidirectional) วิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาแนวทางการส่งสัญญาณผ่านระบบ และประเภทของความผิดปกติที่อาจเกิดขึ้น ตัวเลือกแบบสองทิศทางทำงานคล้ายกับไดโอดแอฟเวลันช์สองตัวที่เชื่อมต่อกันแบบหัวชนหาง จึงจำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อแบบ AC-coupled หรือแบบลอย (floating connections) ซึ่งพบได้ในอินเทอร์เฟซต่าง ๆ เช่น RS-485, HDMI และ Ethernet โดยที่แรงดันกระชากอาจเกิดขึ้นจากทั้งสองทิศทาง ส่วนไดโอดแบบหนึ่งทิศทางนั้นมีประสิทธิภาพในการจำกัดแรงดัน (clamping voltage) ในวงจรกระแสตรง (DC circuits) ได้ดีกว่า เนื่องจากสามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเผชิญกับแรงดันกระชากเชิงบวก (positive transients) ขณะเดียวกันก็ปิดการไหลของกระแสเมื่อเกิดแรงดันกระชากเชิงลบ (negative spike) อย่างไรก็ตาม การเลือกใช้ผิดประเภทจะส่งผลร้ายแรงมาก หากนำไดโอดแบบหนึ่งทิศทางไปติดตั้งบนสายสื่อสารแบบสองทิศทาง จะทำให้เกิดช่องว่างในการป้องกันแรงดันกระชากเชิงลบ ซึ่งอาจส่งผลให้ชิ้นส่วนที่ไวต่อแรงดันบริเวณด้านหลังเสียหายได้ การเชื่อมต่อกับกราวด์ (ground connection) ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือการวางลายทองแดง (copper traces) ที่สั้นและกว้าง จากแคโทดของไดโอด TVS (หรือจุดรวมร่วมในแบบสองทิศทาง) ไปยังแผ่นกราวด์ที่มีความมั่นคงโดยตรง พร้อมเจาะรูระบายความร้อน (thermal vias) หลายรูเพื่อความเสถียร การต่อกราวด์ที่ไม่เหมาะสมจะก่อให้เกิดปัญหา 'ground bounce' ที่น่ารำคาญ ซึ่งลดประสิทธิภาพของการป้องกันแรงดันกระชากอย่างมีนัยสำคัญ — บางครั้งอาจลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง ตามผลการทดสอบอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่ศึกษาพฤติกรรมของแรงดันกระชากชั่วคราว

การจัดวางตำแหน่งที่เหมาะสม: ลดความเหนี่ยวนำของเส้นทางสัญญาณให้น้อยที่สุด และเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันให้สูงสุด

วิธีการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB) นั้นมีผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันชั่วคราว (TVS) มากกว่าการพิจารณาเพียงแค่ข้อมูลจำเพาะขององค์ประกอบเท่านั้น ไดโอดควรติดตั้งให้อยู่ห่างจากขั้วต่อหรือขาของไอซีที่ต้องการป้องกันไม่เกินประมาณครึ่งเซนติเมตร เนื่องจากการเพิ่มระยะทางอีกหนึ่งเซนติเมตรจะทำให้เกิดความเหนี่ยวนำแบบอนุกรมเพิ่มขึ้นประมาณ 10 นาโนเฮนรี ซึ่งอาจทำให้การจำกัดแรงดัน (clamping action) ล่าช้า และส่งผลให้เกิดแรงดันกระชากอันตรายในระหว่างเหตุการณ์ไฟฟ้าสถิต (ESD) ในการวางเส้นนำสัญญาณ (trace) ควรใช้เส้นตรงและทำให้มีความกว้างอย่างน้อย 20 มิล โดยหลีกเลี่ยงการโค้งแบบมุมฉากซึ่งก่อให้เกิดปัญหาความต้านทานเชิงลักษณะ (impedance) สำหรับอินเทอร์เฟซความเร็วสูง ให้วางตำแหน่ง TVS ให้ใกล้กับขั้วต่อให้มากที่สุด และเชื่อมพื้น (ground pad) โดยตรงเข้ากับระนาบอ้างอิง (reference plane) ผ่านรูเจาะแบบวายอา (via) อย่างน้อยสามรูที่จัดเว้นระยะห่างอย่างสม่ำเสมอ วิธีนี้จะสร้างเส้นทางกลับสู่พื้นที่มีความเหนี่ยวนำต่ำ ซึ่งสามารถเบี่ยงเบนกระแสไฟฟ้ากระชากได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ออกจากวงจรที่ละเอียดอ่อน การทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริงตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 แสดงให้เห็นว่าเทคนิคการจัดวางวงจรเหล่านี้สามารถลดระยะเวลาที่วงจรถูกสัมผัสกับสัญญาณชั่วคราวลงได้ประมาณครึ่งหนึ่ง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเดิมที่ใช้การต่อพื้นแบบลำดับ (daisy chained grounds) หรือการต่อแบบขั้วปลาย (stub connections) ที่ยาวเกินไป