การป้องกันไฟกระชากในอุปกรณ์สื่อสาร: บทบาทของไดโอด TVS

I. ภัยคุกคามจากไฟกระชากที่อุปกรณ์สื่อสารต้องเผชิญ

ระบบสื่อสารสมัยใหม่ ได้แก่ ตัวกระจายสัญญาณ (router), ตัวรับ-ส่งสัญญาณแสง (optical transceivers) และสวิตช์เครือข่าย (network switches) มักถูกติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน ซึ่งทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ต้องเผชิญกับปรากฏการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินแบบต่าง ๆ ได้แก่ การคายประจุไฟฟ้าสถิตย์ (electrostatic discharge - ESD), คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากฟ้าผ่า (lightning electromagnetic pulses - LEMP) และแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำผ่านสายส่งไฟฟ้า (coupled overvoltages) ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่เพียงแต่รบกวนการส่งสัญญาณ แต่ยังอาจทำให้วงจรแบบอินทิเกรต (integrated circuits) ซึ่งมีความไวสูงเกิดความเสียหายถาวร ส่งผลให้ระบบหยุดทำงานและต้องเสียค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่

หลักการทำงานและข้อดีของไดโอดป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (TVS Diodes)

ไดโอดป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (Transient Voltage Suppression - TVS Diodes) เป็นองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เกิดขึ้น หลักการทำงานของอุปกรณ์นี้คือ การนำไฟฟ้าอย่างรวดเร็วภายในระดับนาโนวินาที เมื่อแรงดันไฟฟ้าในสายสูงกว่าค่าแรงดันทะลุ (breakdown threshold) ของอุปกรณ์ พลังงานส่วนเกินจะถูกเบี่ยงเบนออกจากวงจรที่ต้องการป้องกันและถูกกระจายออกไปอย่างปลอดภัย จึงช่วยป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกิน (Electrical Overstress)

เมื่อเทียบกับวิธีการป้องกันแบบดั้งเดิม เช่น วาไรสเตอร์ หรือตัวเก็บประจุแบบเซรามิกส์ ไดโอด TVS มีความเร็วในการตอบสนองที่ดีกว่า กระแสไฟรั่วต่ำกว่า และบรรจุภัณฑ์ที่กะทัดรัด คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหมาะสำหรับการป้องกันอินเตอร์เฟซส่งข้อมูลความเร็วสูง เช่น สายข้อมูล พอร์ต USB ตัวรับ-ส่ง LAN คอนเนคเตอร์ HDMI และอินเตอร์เฟซอื่นๆ

III. กรณีการใช้งาน: การป้องกันพอร์ตอีเทอร์เน็ต RJ45

ในเครือข่ายอีเทอร์เน็ตแบบกิกะบิตและ 10 กิกะบิต ขาสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลบนชั้น PHY มีความเป็นไปได้สูงที่จะเกิดแรงดันไฟฟ้ากระชากจากฟ้าผ่าหรือแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมจากแหล่งจ่ายใกล้เคียง ไดโอด TVS มักถูกติดตั้งระหว่างพอร์ต RJ45 กับชิป PHY เพื่อทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันแนวหน้า สามารถควบคุมแรงดันชั่วขณะก่อนที่จะเข้าถึงชั้นลอจิกที่ละเอียดอ่อน

การใช้อุปกรณ์ TVS ที่มีค่าความจุต่ำ—มักมีค่าต่ำกว่า 1 พิโกฟารัด—รับประกันว่าความสมบูรณ์ของสัญญาณจะถูกรักษาไว้ แม้ในอัตราการส่งข้อมูลที่สูงเกินกว่าหลายร้อยเมกะบิตหรือหลายกิกะบิตต่อวินาที

IV. กรณีการใช้งาน: การป้องกันไฟฟ้าสถิตย์สำหรับโมดูลแสงและพอร์ต USB

โมดูลแสง เช่น SFP+ หรือ QSFP มีตัวปล่อยเลเซอร์และวงจรขับที่มีความไวสูง ในระหว่างการบำรุงรักษาหรือการติดตั้ง พอร์ตเหล่านี้อาจถูกไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดจากมนุษย์ (ESD) ไดโอด TVS ที่ติดตั้งแบบขนานสามารถกระจายประจุไฟฟ้าสถิตย์ได้อย่างรวดเร็ว เพื่อปกป้องขาออกของโมดูลจากการเสียหายจากแรงดันทะลุหรือความร้อนเกิน

ในทำนองเดียวกัน อินเตอร์เฟซ USB ซึ่งพบได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและระบบฝังตัว จำเป็นต้องมีการป้องกันหลายเส้นทาง แต่ละเส้นทางของไฟฟ้าและข้อมูลจะต้องได้รับการปกป้องแยกกันโดยใช้ส่วนประกอบ TVS ที่มีค่าความจุไฟฟ้าแบบพาราซิติกต่ำ และมีคุณสมบัติการเปลี่ยนสถานะอย่างรวดเร็ว เพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐาน USB 2.0/3.0 และการป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ที่มีประสิทธิภาพ

V. เกณฑ์ในการเลือกและการพัฒนาในอนาคต

วิศวกรควรพิจารณาค่าพารามิเตอร์หลักหลายประการเมื่อเลือกไดโอด TVS:

แรงดันยึด (Clamping Voltage): จะต้องต่ำกว่าค่าทนทานสูงสุดของชิป แต่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าในการทำงานปกติ;

กำลังพัลส์สูงสุด: กำหนดความสามารถในการดูดซับพลังงาน;

ความจุของข้อต่อ: ปัจจัยสำคัญในแอปพลิเคชันข้อมูลความเร็วสูง;

ประเภทบรรจุภัณฑ์: เลือกได้จาก SOD-123, SOT-23, DFN0603, ฯลฯ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของ PCB และการออกแบบด้านความร้อน

ด้วยการนำเทคโนโลยี 5G, อีเธอร์เน็ตสำหรับรถยนต์ และระบบคอมพิวติ้งขอบมาใช้มากขึ้น ทำให้เทคโนโลยี TVS มีแนวโน้มพัฒนาไปสู่การออกแบบแบบอาร์เรย์หลายช่องสัญญาณรวม, การออกแบบแบบความจุต่ำเป็นพิเศษ และสถาปัตยกรรมการป้องกัน ESD/ฟ้าผ่าแบบบูรณาการ

ไดโอด TVS | อุปกรณ์ป้องกันการสื่อสาร | อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากที่อินเตอร์เฟซ