ไดโอด TVS: องค์ประกอบสำคัญในการปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของคุณ

หลักการทำงานของไดโอด TVS: จากการใช้งานปกติไปจนถึงการป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชาก

กลไกตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าผันผวนและเหตุการณ์ ESD

ไดโอด TVS ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์แรงดันไฟฟ้าที่ตอบสนองได้รวดเร็ว ซึ่งเปลี่ยนจากความต้านทานสูงไปเป็นความต้านทานต่ำภายในระยะเวลาเพียงเศษส่วนของวินาที เมื่อเผชิญกับการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าแบบฉับพลัน ขณะที่ไฟฟ้าสถิตย์สะสมและปล่อยตัวผ่านวงจร องค์ประกอบเหล่านี้จะเข้ามาช่วยปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่บอบบาง โดยจำกัดแรงดันไว้ในระดับที่ถือว่าปลอดภัย รายงานอุตสาหกรรมล่าสุดในปี 2023 พบว่า ไดโอด TVS ในปัจจุบันสามารถลดแรงดันไฟฟ้ากระชากที่เป็นอันตรายได้ตั้งแต่ 70% ไปจนถึงเกือบ 100% เมื่อเทียบกับระบบที่ไม่มีการป้องกัน ส่วนใหญ่รุ่นต่างๆ มีค่าความจุแบบสองทิศทางระหว่าง 0.5 ถึง 50 พิโกฟารัด ซึ่งหมายความว่ามันไม่รบกวนการส่งสัญญาณปกติ แต่ยังคงตื่นตัวสำหรับสถานการณ์ที่ต้องตอบสนองอย่างรวดเร็วซึ่งจำเป็นต้องมีการป้องกันมากที่สุด

การทำงานภายใต้สภาวะปกติ เทียบกับ สภาวะแรงดันเกิน

ไดโอด TVS โดยปกติจะมีกระแสไฟรั่ว (leakage current) ต่ำกว่า 1 ไมโครแอมป์ ขณะทำงานปกติ ดังนั้นจึงไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานมากนัก หากแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าค่าที่เรียกว่าแรงดันยืนยันแบบตรงกันข้าม (reverse standoff voltage หรือ VRWM) ไดโอดเหล่านี้จะเข้าสู่ภาวะการแตกตัวแบบอาฟเตอร์ (avalanche breakdown) ซึ่งหมายความว่ามันจะเริ่มนำไฟฟ้าในลักษณะที่ควบคุมได้ ผลลัพธ์จากการจำกัดแรงดันนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้ากระชากเพิ่มสูงเกินไป ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากในการปกป้องชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อน เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็นต้น ตัวอย่างเช่น ไดโอด TVS สำหรับใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ตัวรุ่นเหล่านี้สามารถทนทานต่อการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (electrostatic discharge) ระดับ 30 กิโลโวลต์ ซ้ำๆ ได้ และตอบสนองภายในเสี้ยวหนึ่งของหน่วยนาโนวินาที ทำให้มันมีความน่าเชื่อถือสูงแม้ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย ซึ่งชิ้นส่วนทั่วไปอาจเกิดความล้มเหลว

กรณีศึกษา: การตอบสนองรวดเร็วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ระหว่าง ESD

ไดโอด TVS ในพอร์ต USB-C ของสมาร์ทโฟนช่วยลดปัญหาความล้มเหลวที่เกิดจากไฟฟ้าสถิต (ESD) ได้อย่างมีนัยสำคัญ ประมาณ 83% เลยทีเดียว ด้วยความเร็วในการตอบสนองที่เร็วมากภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาโนวินาที ผู้ผลิตสมาร์ทโฟนรายใหญ่เพิ่งทำการทดสอบและได้ผลลัพธ์ที่น่าประทับใจอย่างมากเช่นกัน เมื่อเผชิญกับการปล่อยประจุไฟฟ้าแบบสัมผัสที่สูงถึง 15 กิโลโวลต์ ไดโอดเหล่านี้สามารถลดระดับแรงดันไฟฟ้าที่เข้าสู่ขาอินพุตของวงจร IC ให้เหลือประมาณ 6 โวลต์เท่านั้น ซึ่งต่ำกว่าระดับที่ปกติอาจก่อให้เกิดปัญหา ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 12 โวลต์ สิ่งที่ดีไปกว่านั้นสำหรับผู้ผลิตคือ การป้องกันทั้งหมดนี้เกิดขึ้นโดยไม่ส่งผลให้ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลลดลง พอร์ตยังคงรักษาประสิทธิภาพในการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุดไว้ที่ 10 กิกะบิตต่อวินาที ผู้ใช้จึงไม่รู้สึกถึงความแตกต่างใด ๆ เวลาถ่ายโอนไฟล์หรือชาร์จไฟให้อุปกรณ์ เทคโนโลยี TVS ขั้นสูงสามารถรักษาการทำงานให้ดำเนินไปอย่างราบรื่น โดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพหรือคุณภาพของสัญญาณลดลงเลย

แนวโน้ม: การพัฒนาความเร็วในการดักจับ (Clamping Speed) และความน่าเชื่อถือ

ไดโอด TVS รุ่นล่าสุดผลิตจากวัสดุคาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC) ซึ่งช่วยให้ตอบสนองได้รวดเร็วภายใน 500 พิโควินาที และยังสามารถจัดการกับกำลังไฟฟ้าสูงสุดแบบพัลส์ได้ประมาณ 600 วัตต์ สิ่งที่น่าประทับใจคือ ผู้ผลิตสามารถรับประกันวงจรไฟกระชากได้มากกว่า 100,000 ครั้งที่ค่ากระแสไฟเต็มอัตรา ซึ่งแสดงถึงความทนทานที่ดีขึ้นกว่าเดิมถึง 4 เท่า เมื่อเทียบกับสิ่งที่มีอยู่ในปี 2019 การปรับปรุงเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากในสภาพแวดล้อมที่มีความท้าทาย เช่น สถานีฐาน 5G และระบบชาร์จไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ที่การป้องกันสัญญาณไฟฟ้าชั่วขณะไม่ใช่แค่เรื่องเสริม แต่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างปลอดภัยและต่อเนื่องโดยไม่มีการล้มเหลวแบบไม่คาดคิด

พารามิเตอร์หลักในการเลือกไดโอด TVS เพื่อการป้องกันที่เหมาะสมที่สุด

แรงดันทะลุ (Breakdown Voltage), แรงดันจำกัด (Clamping Voltage) และกระแสรั่ว (Leakage Current) อธิบายอย่างละเอียด

การเลือกไดโอด TVS ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการเข้าใจพารามิเตอร์หลัก 3 ตัวแปร ได้แก่

• แรงดันทะลุ (V _BR ): แรงดันไฟฟ้าที่ไดโอดเริ่มนำไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปจะตั้งไว้สูงกว่าแรงดันใช้งานปกติประมาณ 10–15%
• แรงดันไฟฟ้าขณะหนีบ (V _C ): แรงดันสูงสุดที่ส่งผ่านไปยังวงจรที่ได้รับการปกป้องในช่วงเกิดสัญญาณผิดปกติ; ค่าที่ต่ำกว่ายิ่งช่วยปกป้ององค์ประกอบที่ไวต่อแรงดันได้ดีขึ้น (เช่น <50 V สำหรับ USB-C)
• กระแสรั่ว (I _D ): กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในสภาวะปกติ; ค่าที่ต่ำกว่า 5 µA จะช่วยป้องกันการสูญเสียพลังงานและปัญหาการทำงานผิดพลาด โดยเฉพาะในเซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และในระบบเซ็นเซอร์ของรถยนต์

กระแสสูงสุดชั่วขณะและความสามารถในการรับมือกับพลังงาน

กระแสสูงสุดชั่วขณะ (IPP) บ่งบอกโดยพื้นฐานว่ากระแสไฟฟ้าในระยะเวลาสั้นที่สูงที่สุดที่ไดโอดสามารถทนได้โดยไม่เกิดความเสียหายคือเท่าไร ซึ่งเป็นเรื่องสำคัญมากเมื่อพูดถึงอุปกรณ์เช่น พาวเวอร์ซัพพลายของเซิร์ฟเวอร์ที่อาจต้องเผชิญกับฟ้าผ่า ซึ่งกระแสชั่วขณะอาจสูงเกิน 200 แอมแปร์ได้อย่างง่ายดาย เมื่อพูดถึงปริมาณพลังงานที่อุปกรณ์เหล่านี้ต้องดูดซับ เราจะวัดค่าในหน่วยจูล โดยทั่วไปแล้วระบบที่ใช้ในอุตสาหกรรมจะต้องการอุปกรณ์ที่สามารถทนต่อพลังงานได้ไม่ต่ำกว่า 150 จูล ก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว หากเราต้องการให้ระบบสามารถใช้งานได้ยาวนานในขณะที่ยังคงปกป้องจากระบบไฟกระชากได้ การควบคุมอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าที่ถูกคลัมป์ (VC หารด้วย VBR) ให้อยู่ต่ำกว่า 1.5 ถือเป็นทางเลือกที่เหมาะสม สิ่งนี้ช่วยลดการสึกหรอของอุปกรณ์ที่ต่อกับด้านหลังของไดโอด ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาว เนื่องจากชิ้นส่วนต่างๆ จะเสียหายลดลง

กรณีศึกษา: การเลือกพารามิเตอร์ในวงจรคอนเวอร์เตอร์ DC/DC

ตัวแปลงไฟฟ้าแบบ DC/DC 24 V เกิดความล้มเหลวซ้ำๆ เนื่องจากสัญญาณผันผวนจากการสวิตช์รีเลย์ วิศวกรแก้ปัญหาโดยการเลือกใช้ไดโอด TVS ที่มีคุณสมบัติ:

1. V _BR > 30 V (สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าใช้งานสูงสุด 20%)
2. ฉัน _Pp ≥ 150 A (ตรวจสอบแล้วตามคลื่นทดสอบตามมาตรฐาน ISO 7637)
3. ความจุที่ข้อต่อ (Junction capacitance) น้อยกว่า 10 pF เพื่อรักษาประสิทธิภาพการสวิตช์ที่ความถี่สูง
   การเลือกเฉพาะเจาะจงแบบนี้ ช่วยลดปัญหาความล้มเหลวในสนามจริงลงได้ 75% และรับประกันความสอดคล้องตามมาตรฐานความน่าเชื่อถือสำหรับยานยนต์ AEC-Q101

กลยุทธ์: การเลือกคุณสมบัติของ TVS ให้ตรงกับความต้องการการใช้งาน

ใช้กรอบแนวทางนี้เพื่อจัดระดับคุณสมบัติของ TVS ให้สอดคล้องกับข้อกำหนดการใช้งาน:

ความต้องการการใช้งาน	จุดโฟกัสพารามิเตอร์หลัก	วิธีตรวจสอบ
พอร์ตข้อมูลความเร็วสูง	ความจุไฟฟ้าที่จุดต่อ	การทดสอบรูปแบบสัญญาณตา
แรงดันไฟฟ้ากระชากบนสายส่ง	การดูดซับพลังงาน	การจำลองคลื่นความถี่ 8/20 µs
ระบบแบตเตอรี่	กระแสรั่ว	การวิเคราะห์การเพิ่มอุณหภูมิแบบไม่สามารถควบคุมได้
ตรวจสอบการออกแบบโดยใช้คลื่นความถี่ชั่วขณะมาตรฐาน—IEC 61000-4-5 สำหรับสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม และ ISO 10605 สำหรับระบบยานยนต์—เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่คลัมป์มีค่าต่ำกว่าเกณฑ์ที่ทำให้เกิดความเสียหายต่อชิ้นส่วน

ไดโอด TVS แบบทางเดียวและแบบสองทาง: ความแตกต่างและกรณีการใช้งาน

หลักการในการทำงานตามขั้วไฟฟ้าและความต้องการของวงจร

ไดโอด TVS มีอยู่สองประเภทหลัก ได้แก่ แบบทางเดียว (unidirectional) และแบบสองทาง (bidirectional) โดยไดโอดแบบทางเดียวจะเหมาะที่สุดสำหรับวงจรกระแสตรง (DC) ที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวัน เช่น พอร์ต USB 5 โวลต์บนอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือระบบ 12 โวลต์ในรถยนต์ ซึ่งแรงดันไฟฟ้ากระชากจะเกิดขึ้นเพียงทิศทางเดียว ไดโอดเหล่านี้จะอยู่เฉย ๆ โดยไม่ทำงานจนกว่าจะเกิดแรงดันกระชาก จากนั้นจึงจะทำงานในโหมดรีเวิร์สไบแอส (reverse bias) ในขณะที่ยังคงอนุญาตให้กระแสปกติไหลผ่านได้ตามปกติ ส่วนไดโอด TVS แบบสองทางจะประกอบด้วยไดโอดแบบแอฟเฟลนช์ (avalanche diodes) สองตัวที่ต่อเข้าด้วยกันแบบหลังชนกัน (back to back) ซึ่งเหมาะมากสำหรับการปกป้องวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และสัญญาณที่มีทั้งสองทิศทาง เช่น ระบบ CAN bus หรือสายสื่อสาร RS-485 เมื่อพูดถึงการจัดการแรงดันกระชากทั้งในทางบวกและทางลบ โมเดลแบบสองทางนี้จัดการได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า ตามรายงานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Circuit Protection Journal ระบุว่า การใช้การป้องกันแบบสองทางแทนการใช้ส่วนประกอบแบบทางเดียวแยกกัน สามารถลดจำนวนชิ้นส่วนที่ต้องใช้ได้ประมาณ 40% ในการติดตั้งอุปกรณ์อุตสาหกรรมแบบสามเฟส

การประยุกต์ใช้งานในอินเทอร์เฟซการสื่อสาร USB, HDMI และ CAN Bus

• ทิศทางเดียว : แนะนำสำหรับพอร์ต USB 3.2 และ HDMI 2.1 เนื่องจากความจุไฟฟ้าต่ำ (ต่ำสุดที่ 0.5 พิโคฟารัด) ช่วยให้สามารถป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ได้สูงถึง 30 กิโลโวลต์ โดยไม่กระทบต่อคุณภาพของสัญญาณ
• สองทิศทาง : มีความสำคัญต่อระบบ CAN bus ในรถยนต์ เนื่องจากสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าจากโหลด-ดัมป์ได้ถึง ±45 โวลต์ และเป็นไปตามมาตรฐาน IEC 61000-4-5
• : สำคัญสำหรับเครือข่าย RS-485 โดยไดโอดแบบสองทิศทางช่วยรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่อัตราการส่งข้อมูลสูงเกิน 100 เมกะบิตต่อวินาที

กรณีศึกษา: ไดโอด TVS แบบสองทิศทางในระบบ CAN ของรถยนต์

ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่จากยุโรปพบว่าการเรียกร้องการรับประกันลดลงเกือบสองในสามเมื่อพวกเขาเริ่มใช้ไดโอด TVS แบบสองทิศทางในระบบ CAN bus ไดโอดเหล่านี้สามารถรับมือกับแรงดันไฟฟ้ากระชากที่อาจสูงถึง ±60 โวลต์จากปรากฏการณ์การปล่อยโหลดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้อย่างสบาย ในขณะเดียวกันยังสามารถควบคุมกระแสไฟรั่วให้อยู่ต่ำกว่า 1 นาโนแอมป์ แม้จะทำงานที่ระดับแรงดันต่างศักย์มาตรฐานที่ 2.5 โวลต์ ซึ่งหมายความว่ารถยนต์สามารถสื่อสารได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้สภาพแวดล้อมที่ท้าทายทุกประเภทที่พบได้บนท้องถนนในปัจจุบัน

แนวโน้ม: การนำไปใช้เพิ่มขึ้นในระบบสื่อสารความเร็วสูงและอุตสาหกรรม

ตลาดไดโอด TVS แบบสองทิศทางทั่วโลกมีการคาดการณ์ว่าจะเติบโตที่อัตรา CAGR 11.8% จนถึงปี 2030 โดยมีปัจจัยขับเคลื่อนหลักดังนี้:

1. สถานีฐาน 5G ที่ต้องการการป้องกันข้อมูลที่ 20 Gbps พร้อมความจุไฟฟ้าต่ำมาก (<0.3 พิโคฟารัด)
2. เซ็นเซอร์ IoT อุตสาหกรรมที่ต้องการการรับรอง AEC-Q101 Grade 1 (-40°C ถึง +125°C)
3. อินเวอร์เตอร์พลังงานหมุนเวียนที่ต้องการการป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชาก ±2 kV ตามมาตรฐาน IEC 61643-31

การใช้งานไดโอด TVS ที่พบบ่อยในระบบอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่

การป้องกัน ESD ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและอุปกรณ์เคลื่อนที่

ไดโอด TVS ทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันหลักเมื่อต้องปกป้องสมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และอุปกรณ์สวมใส่อิเล็กทรอนิกส์จากความเสียหายจากไฟฟ้าสถิต (ESD) องค์ประกอบเหล่านี้มีค่าความจุไฟฟ้าต่ำมาก ต่ำกว่า 0.5 พิโกฟารัด ซึ่งหมายความว่าไม่รบกวนสัญญาณบนอินเทอร์เฟซความเร็วสูงที่เราพึ่งพากันในปัจจุบัน เช่น การเชื่อมต่อแบบ USB Type C หรือ HDMI ยิ่งไปกว่านั้น พวกมันยังสามารถทนต่อเหตุการณ์การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตที่ระดับสูงถึง ±30 กิโลโวลต์ ตามรายงานวิจัยที่เผยแพร่โดย ESDA เมื่อปีที่แล้ว ผู้ผลิตที่เปลี่ยนมาใช้ไดโอด TVS มีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าสถิตลดลงอย่างมาก คือลดลงประมาณ 62 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้จากการใช้เทคนิคอื่น ๆ ในการป้องกัน ชิปไดโอดรุ่นใหม่ล่าสุดนี้ยังมีคุณสมบัติในการทำงานที่ดีขึ้นกว่าเดิม โดยเฉพาะสำหรับมาตรฐานการเชื่อมต่อใหม่ ๆ เช่น Thunderbolt และ DisplayPort ช่วยให้การออกแบบอุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัด ขณะเดียวกันก็ยังคงระดับการป้องกันที่ยอดเยี่ยม เหมาะสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลที่ความเร็วเข้าใกล้ 40 กิกะบิตต่อวินาที โดยไม่มีการบิดเบือนของสัญญาณที่รับรู้ได้

การป้องกันไอซีและไมโครคอนโทรลเลอร์ที่สำคัญจากแรงดันไฟฟ้ากระชาก

ไดโอด TVS ทำหน้าที่ปกป้ององค์ประกอบต่าง ๆ รวมถึงเซ็นเซอร์อะนาล็อก ไอซีจัดการพลังงาน และไมโครโปรเซสเซอร์ โดยทำงานโดยการเบี่ยงเบนสปาร์กของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นทันทีซึ่งอาจเกิดจากอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น เรลเลย์ มอเตอร์ขณะทำงาน และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เมื่อพิจารณาถึงการเลือกไดโอดเหล่านี้ วิศวกรส่วนใหญ่มักมองหาไดโอดที่มีกระแสไฟรั่วต่ำกว่า 1 ไมโครแอมป์ และแรงดันคลัมป์ (Clamping Voltage) ต่ำกว่า 20% ของค่าสูงสุดที่ไอซีสามารถรองรับได้ โดยเฉพาะในแอปพลิเคชัน IoT ทางการแพทย์นั้น ชุดไดโอด TVS ถือเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง ชุดไดโอดเหล่านี้จะช่วยปกป้องวงจรส่วน ADC ที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้าจากการเพิ่มขึ้นของแรงดันอย่างรวดเร็ว (สูงถึง 100 โวลต์ต่อไมโครวินาที) การป้องกันเช่นนี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากเหตุการณ์ดังกล่าวมักเกิดจากสัญญาณรบกวนความถี่วิทยุ (RF interference) หรือการเปิด-ปิดของโหลดแบบเหนี่ยวนำ หากไม่มีการป้องกันที่เหมาะสม ค่าที่วัดได้อาจคลาดเคลื่อน และระบบอาจเกิดความล้มเหลวขึ้นโดยไม่คาดคิด

กรณีศึกษา: การป้องกันแรงดันกระชากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์และอุตสาหกรรม

การทดสอบภาคสนามที่ดำเนินการในปี 2022 บนระบบ CAN bus ในรถยนต์ แสดงให้เห็นว่าการใช้ไดโอด TVS แบบสองทิศทาง ช่วยลดข้อผิดพลาดในการสื่อสารที่เกิดจากแรงดันกระชากได้ประมาณ 83% ภายใต้สภาวะการทดสอบตามมาตรฐาน ISO 7637-2 เมื่อไดโอดเหล่านี้ถูกนำไปใช้งานจริง สามารถทนต่อกระแสสูงแบบ 10/1000 ไมโครวินาที ที่ระดับสูงถึง 200 แอมแปร์ในระบบมาตรฐาน 24 โวลต์ ขณะเดียวกันยังสามารถควบคุมอุณหภูมิภายในให้อยู่ต่ำกว่าจุดวิกฤตที่ 125 องศาเซลเซียส สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม ตัวต่อเชื่อมที่ออกแบบมาพร้อมไดโอด TVS ในตัวสามารถป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงจากฟ้าผ่าที่อาจทำให้โมดูล I/O ของ PLC เสียหายได้ แม้แต่แรงดันสูงถึง 6 กิโลโวลต์ ตัวต่อเชื่อมเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของมาตรฐาน IEC 61000-4-5 โดยไม่ต้องเพิ่มตัวกรองหรือส่วนประกอบอื่นๆ เพิ่มเติมเพื่อให้ได้มาซึ่งความสอดคล้องตามมาตรฐาน

กลยุทธ์การออกแบบเพื่อการบูรณาการไดโอด TVS อย่างมีประสิทธิภาพ

การจัดวางและรูปแบบที่เหมาะสมที่สุดเพื่อการเบี่ยงเบนแรงดันไฟฟ้ากระชากสูงสุด

เพื่อการป้องกันที่มีประสิทธิภาพ ควรวางไดโอด TVS ให้ใกล้จุดที่แรงดันไฟฟ้ากระชากเข้ามามากที่สุด เช่น ตัวต่อเชื่อม (connectors), ช่องต่อไฟฟ้า (power inputs) หรือพอร์ต I/O เพื่อลดการเหนี่ยวนำแบบพาราซิติก (parasitic inductance) ตัวอย่างเช่น การวางไว้ห่างจากพอร์ต USB ไม่เกิน 1 ซม. จะช่วยลดความเสี่ยงจากแรงดันไฟฟ้ากระชากได้ถึง 60% เมื่อเทียบกับการวางไว้ในตำแหน่งที่อยู่ห่างออกไป แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด ได้แก่

• ใช้เส้นทางวงจรพีซีบี (PCB traces) ที่สั้นและกว้างเพื่อลดความต้านทานไฟฟ้า (impedance)
• หลีกเลี่ยงการเจาะผ่านวงจร (vias) ระหว่างไดโอดกับชิ้นส่วนที่ต้องการป้องกัน
• ตรวจสอบให้มั่นใจว่ามีเส้นทางคืนสัญญาณกราวน์ (ground return path) ที่มีความต้านทานต่ำ

ตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าที่จะเริ่มทำงาน (clamping voltage) ให้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ระบบทำงานอยู่ 10–20% เพื่อป้องกันการทำงานผิดพลาด พร้อมทั้งให้ตอบสนองได้รวดเร็ว (เช่น ใช้ไดโอด TVS ที่ 5.5–6 โวลต์ สำหรับระบบ 5 โวลต์)

การปรับสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการควบคุมแรงดันและการทำงานของชิ้นส่วน

เลือกไดโอด TVS ตามระดับความเครียดเฉพาะของแต่ละการใช้งาน:

พารามิเตอร์	อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อแรงดัน	ระบบอุตสาหกรรม
แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ทนได้	5–15 V	15–30 V
กระแสชั้นพัลส์สูงสุด	50 แอมแปร์	100–300 A
ความจุ	<0.5 พิโคฟารัด	<5 พิโคฟารัด

ในแอปพลิเคชัน CAN บัสสำหรับรถยนต์ ไดโอด TVS แบบไบเดอร์เรคชันแนลที่มีแรงดันพังทลาย (Breakdown Voltage) 24 โวลต์ และรับกระแสไฟกระชากได้ 200 แอมแปร์ สามารถบรรลุความน่าเชื่อถือระดับ 99.8% ในการกดดันแรงดันเกินจากโหลด-ดัมป์ (Load-Dump) ในขณะที่ยังคงมีการรั่วของกระแสไฟฟ้าต่ำกว่า 3 มิลลิแอมแปร์ในช่วงการดำเนินการปกติ

กลยุทธ์: การรับประกันความสมบูรณ์ของสัญญาณในเส้นทางข้อมูลความเร็วสูง

สำหรับอินเทอร์เฟซความเร็วสูงอย่าง USB 3.2 (10 Gbps), HDMI 2.1 (48 Gbps) และ PCIe 5.0 ให้ใช้ไดโอด TVS ที่มีค่าความจุ (Capacitance) ต่ำกว่า 0.3 พิโคฟารัด เพื่อป้องกันการบิดเบือนของสัญญาณ พร้อมทั้งใช้เทคนิคในการจัดเส้นทางแบบอิมพีแดนซ์แมทช์ (Impedance-Matched Routing):

• รักษาความสม่ำเสมอของความยาวเส้นทาง (Trace Length) ภายใน ±5%
• รวมระนาบกราวด์ (Ground Planes) ที่แข็งแรงไว้ด้านล่างของชิ้นส่วน TVS
• ปฏิบัติตามความคลาดเคลื่อน (Tolerance) ที่ ±5% บนอิมพีแดนซ์เฉพาะลักษณะ (Characteristic Impedance) (เช่น 85 โอห์ม สำหรับ USB4)

การผนวกรวม TVS ที่เหมาะสมได้แสดงให้เห็นว่าสามารถลดการสะท้อนของสัญญาณลง 40% ในลิงก์ Ethernet ที่ 25 Gbps ขณะเดียวกันยังให้การป้องกัน ESD ระดับ 8 kV ตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นว่าการป้องกันที่แข็งแกร่งและประสิทธิภาพความเร็วสูงสามารถอยู่ร่วมกันได้

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ไดโอด TVS ใช้เพื่ออะไร

ไดโอด TVS ใช้เพื่อปกป้ององค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์จากแรงดันชั่วขณะ การสะสมประจุสถิต และแรงดันไฟฟ้ากระชาก เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างปลอดภัยโดยไม่เกิดความล้มเหลวที่ไม่คาดคิด

ทำไมไดโอด TVS จึงมีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว

เวลาตอบสนองที่รวดเร็วช่วยให้ไดโอด TVS เปลี่ยนจากความต้านทานสูงไปเป็นความต้านทานต่ำได้อย่างรวดเร็ว จึงสามารถจำกัดแรงดันไฟฟ้ากระชากและให้การป้องกันที่มีประสิทธิภาพ

ไดโอด TVS แบบทางเดียวและสองทางแตกต่างกันอย่างไร

ไดโอด TVS แบบทางเดียวป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากในทิศทางเดียว โดยทั่วไปใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ส่วนไดโอด TVS แบบสองทิศทางสามารถรับมือกับแรงดันไฟฟ้ากระชากจากทั้งสองทิศทาง ซึ่งมีประโยชน์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (AC)

ไดโอด TVS มีส่วนช่วยต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณอย่างไร

ไดโอด TVS ที่มีค่าความจุต่ำสามารถปกป้องอินเทอร์เฟซ เช่น USB และ HDMI โดยไม่ทำให้คุณภาพของสัญญาณลดลง ช่วยให้การส่งข้อมูลความเร็วสูงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ