ٹی وی ایس ڈایوڈز کا اصول کام: ایونلینش بریک ڈاؤن کے ذریعے انتہائی تیز رفتار کلیمپنگ

عارضی اتار چڑھاؤ کے لیے نینو سیکنڈ کے جواب کو ممکن بنانے والی ایونلینش بریک ڈاؤن کی طبیعیات

ٹی وی ایس ڈائیوڈز الیکٹرانک سرکٹس کو صرف ایک سیکنڈ کے اعشاریہ حصوں میں نقصان سے بچاتے ہیں، جو ان کے سلیکون میں کنٹرولڈ ایویلینش بریک ڈاؤن کے ذہین استعمال کی بدولت ممکن ہوتا ہے جسے ریورس بائیس کیا گیا ہوتا ہے۔ جب وولٹیج میں اچانک اضافہ ہوتا ہے جو ڈائیوڈ کی طرف سے برداشت کرنے کی صلاحیت (جو VBR کے نام سے جانا جاتا ہے) سے تجاوز کر جاتا ہے، تو ایٹمی سطح پر ایک دلچسپ واقعہ رونما ہوتا ہے۔ امپیکٹ آئنائزیشن ایک زنجیر کی ردِ عمل شروع کرتا ہے جس میں الیکٹرونز اور ہولز تیزی سے بڑھتے ہیں، اور ایک موصلانہ راستہ تشکیل دیتے ہیں جو درحقیقت اضافی توانائی کو فوری طور پر بائی پاس کر دیتا ہے۔ ہم یہاں ایک نینو سیکنڈ سے بھی کم ردعمل کے وقت کی بات کر رہے ہیں، جسی وجہ سے یہ اجزاء دوسرے حلز کے مقابلے میں بہت تیزی سے اُبھرنے والے الیکٹرو سٹیٹک ڈس چارجز کے خلاف بہترین کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں۔ ان کی درستگی کا انحصار زیادہ تر اس بات پر ہوتا ہے کہ مینوفیکچرر پیداوار کے دوران سیمی کنڈکٹر مواد کو کس طرح ڈوپ کرتا ہے۔ اس غور سے کی گئی تنظیم سے انجینئرز VBR کی قدریں بہت تنگ حدود کے اندر حاصل کر سکتے ہیں، عام طور پر تقریباً ±5% سے ±10% تک۔ ٹی وی ایس ڈائیوڈز کو دوسرے متبادل حلز جیسے MOVs یا گیس ڈس چارج ٹیوبز کے مقابلے میں کیا منفرد بناتا ہے؟ یہ حرارت کے اکٹھا ہونے یا متحرک اجزاء پر انحصار نہیں کرتے۔ بلکہ یہ ٹھوس حالت کے مواد کے اندر رونما ہونے والے کوانٹم پریمینا کا فائدہ اُٹھاتے ہیں، جس کی بنا پر یہ درجہ حرارت میں تبدیلی یا سالوں تک کام کرنے کے بعد بھی مستقل اور مضبوط کارکردگی فراہم کرتے ہیں۔

ای ایس ڈی اور سرج واقعات کے دوران حقیقی وقت میں کلیمپنگ کا رویہ

جب فعال کیا جاتا ہے، تو ٹی وی ایس ڈایوڈز اچانک آنے والے وولٹیج اسپائکس کو اس حد تک محدود کر دیتے ہیں جسے 'کلیمپنگ وولٹیج' (V_C) کہا جاتا ہے، جو عام طور پر بریک ڈاؤن وولٹیج (V_BR) سے تقریباً 20 سے 30 فیصد زیادہ ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، آئی ای سی 61000-4-2 کے ایس ڈی (ESD) واقعات کو لیجیے، جو 5 نینو سیکنڈ کے رائز ٹائم کے ساتھ تیزی سے بڑھنے والے وولٹیج ہیں۔ یہ ڈایوڈ تقریباً فوری طور پر کلیمپنگ شروع کر دیتا ہے— درحقیقت پہلے ہی نینو سیکنڈ کے اندر — تاکہ خطرناک اعلٰی درجے کے وولٹیج کو حساس اگلے مرحلے کے اِنٹیگریٹڈ سرکٹس تک پہنچنے سے روکا جا سکے۔ لمبے عرصے تک جاری رہنے والے بجلی کے اُچھالوں کے لیے، جیسے کہ آئی ای سی 61000-4-5 معیارات میں درج 8/20 مائیکرو سیکنڈ کے ویو فارم، یہ ڈایوڈ ہزاروں ایمپئیر (I_PP) کی پیمائش کی جانے والی بہت بڑی کرنٹ فلو کو محفوظ طریقے سے زمین کی طرف موڑ دیتے ہیں، جبکہ V_C کو ان کمپونینٹس کو نقصان پہنچانے والے سطح سے نیچے رکھتے ہیں جو ان سے منسلک ہوں۔ اس کے دو اہم اقسام بھی ہیں: دوطرفہ ماڈلز ایسی اے سی کنکشنز کے لیے بہترین کام کرتے ہیں جہاں پولیرٹی کا کوئی اثر نہیں ہوتا، جبکہ یکطرفہ ورژنز ڈی سی سسٹمز میں بہتر کارکردگی فراہم کرتے ہیں کیونکہ ان کا کلیمپنگ کے دوران فارورڈ وولٹیج کم ہوتا ہے۔ تاہم، ٹی وی ایس ڈایوڈز کو واقعی مفید بنانے والا امر ان کی خود بخود ری سیٹ ہونے کی صلاحیت ہے۔ جب بھی وولٹیج اسپائک گزر جاتا ہے، یہ خود بخود اپنی عام اعلٰی مزاحمت کی حالت میں واپس آ جاتے ہیں، اور انہیں کسی قسم کے دستی ری سیٹ یا دوسرے تحفظی آلات میں عام طور پر پائے جانے والے 'لیچ اپ' (latch-up) مسائل کے ساتھ سمجھوتہ کرنے کی ضرورت نہیں ہوتی۔

اہم ٹی وی ایس ڈایوڈ پیرامیٹرز جنہیں ہر انجینئر کو سمجھنا ضروری ہے

وی آر ڈبلیو ایم، وی بی آر، وی سی، اور آئی پی پی — ڈیٹا شیٹ کی خصوصیات کو مضبوط تحفظ کے حاشیوں میں تبدیل کرنا

چار پیرامیٹرز موثر ٹی وی ایس کے انتخاب اور سسٹم سطح کی قابل اعتمادی کو حکم دیتے ہیں:

• V _RWM (الٹا رکاوٹ وولٹیج) یہ سرکٹ کے زیادہ سے زیادہ کام کرنے والے وولٹیج سے زیادہ ہونا ضروری ہے— اُبھار کو روکنے یا عام عمل کے دوران غلط طریقے سے فعال ہونے سے بچنے کے لیے ترجیحی طور پر 10–15% زیادہ ہونا چاہیے۔
• V _بر (بریک ڈاؤن وولٹیج) یہ الاؤیانس کنڈکشن کے آغاز کو متعین کرتا ہے؛ بہترین حاشیہ حاصل کرنے کے لیے، یہ وی کا 1.2–1.5× ہونا چاہیے _RWM .
• V _C (کلیمپنگ وولٹیج) یہ مخصوص آئی کے دوران نیچے کی سمت کے اجزاء کو درپیش زیادہ سے زیادہ وولٹیج ہے _{پی پی} ؛ اسے محفوظ طریقے سے ان آئی سیز کے کم از کم نقصان کے حد کے نیچے رہنا چاہیے جن کی حفاظت کی جا رہی ہے۔
• آئی _{پی پی} (اِک کلّی پلس کرنٹ) معیاری لہر کے اشکال (مثلاً 8/20 مائیکرو سیکنڈ) کے تحت چوٹی کے بہاؤ کو سنبھالنے کی صلاحیت کو مقداری طور پر ظاہر کرتا ہے؛ زیادہ قدریں زیادہ توانائی جذب کرنے کی صلاحیت کی نشاندہی کرتی ہیں۔

اساتذہ کو آئی کو 20% کم کرنے کا اطلاق کرنا چاہیے _{پی پی} ہر 50°C کے اضافے کے لیے 25°C کے ماحولیاتی درجہ حرارت سے اوپر اور V کی تصدیق کریں _بر درجہ حرارت کے دوران برابر تحفظ کے حاشیے کو یقینی بنانے کے لیے رواداری۔

بلند رفتار انٹرفیسز (USB، HDMI، ایتھرنیٹ) کے لیے کیپیسیٹنس کے جائزے

جوڑ کی کیپیسیٹنس (C _J ) براہ راست بلند رفتار ڈیٹا لائنز پر سگنل کی صحت کو متاثر کرتی ہے۔ اضافی کیپیسیٹنس کی چھوٹی سی مقدار بھی اعلیٰ فریکوئنسی کے مواد کو کمزور کر دیتی ہے اور ایج ریٹس کو خراب کر دیتی ہے— جس کے نتیجے میں بِٹ غلطیاں یا لنک کی ناکامیاں ہو سکتی ہیں۔ ہدف کی قدریں سخت ہیں:

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

دوطرفہ ٹی وی ایس ڈایوڈز کی قدرتی طور پر اپنے یکطرفہ ہم منصب کے مقابلے میں زیادہ کیپیسیٹنس ہوتی ہے کیونکہ ان میں یہ دوہرا جنکشن ڈیزائن موجود ہوتا ہے۔ جب آپ ان تنگی بھرے غیر مطلوبہ اثرات کو کم کرنے کی کوشش کر رہے ہوتے ہیں، تو یہ معقول ہے کہ کم کیپیسیٹنس والے ٹی وی ایس اجزاء کو کنیکٹرز یا انٹیگریٹڈ سرکٹ پیڈز سے تقریباً آدھے انچ سے زیادہ فاصلے پر نہ رکھا جائے۔ اس کے علاوہ، یہ بھی اہم ہے کہ ٹریسز چوڑی اور سیدھی ہوں، جس میں کم از کم 20 مِلز چوڑائی زیادہ تر درخواستوں کے لیے بہترین نتائج دیتی ہے۔ زمین کے پیڈ کو مناسب طریقے سے جوڑنا بھی اہم ہے۔ اسے صرف ایک ویا کے بجائے کئی ویاز کے ذریعے ایک مضبوط اور مستحکم ریفرنس پلین سے براہ راست جوڑیں۔ اس سے انڈکٹو امپیڈنس میں کمی آتی ہے، جو اگر غیر ضابطہ رہنے دیا جائے تو وولٹیج اوور شُوٹ کے مسائل کو درحقیقت بدتر بنا سکتی ہے۔

معیاری خطرہ کے منصوبوں میں ٹی وی ایس ڈایوڈ کی مطابقت اور کارکردگی

آئی ای سی 61000-4-2 (الیکٹرو اسٹیٹک ڈس چارج)، -4-4 (الیکٹریکل فاسٹ ٹرانزینٹ) اور -4-5 (سرجر) کی ضروریات کو پورا کرنا

ٹی وی ایس ڈائیڈز کو ان سخت بے حساسیت کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے بنایا گیا ہے، اور عام طور پر وہ اُن چیزوں سے بھی آگے نکل جاتے ہیں جو درکار ہوتی ہیں۔ آئی ای سی 61000-4-2 کے معیارات کے حوالے سے، یہ اجزاء شدید 30 کے وی رابطہ تفریقِ بجلی کے ای ایس ڈی پلسز کو بہت تیزی سے برداشت کر سکتے ہیں، اور انہیں اس سے پہلے روک دیتے ہیں کہ وہ حساس مائیکرو کنٹرولرز یا انٹرفیس آئی سیز کو فوری طور پر یا وقت گزرنے کے ساتھ نقصان پہنچا سکیں۔ یہ اجزاء دہرائی جانے والی ای ایف ٹی بلسٹس کے ساتھ بھی بہترین کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں (آئی ای سی 61000-4-4 کے مطابق، جو تقریباً 5 کلو ہرٹز سے 100 کلو ہرٹز کی فریکوئنسی پر ہوتی ہیں)۔ تیزی سے بحال ہونے کا وقت اور کم متحرک مقاومت کے امتزاج کی وجہ سے یہ ڈائیڈز ڈیٹا لائنز سے متعدد ایمپیر کے عارضی سپائکس کو دور دھکیل سکتے ہیں، بغیر کہ کسی طرح کے رابطے کے خراب ہونے کے۔ آئی ای سی 61000-4-5 کے معیارات کے تحت ہونے والے زیادہ توانائی والے سرجر ٹیسٹ کے دوران، مناسب طور پر سرٹیفائیڈ ٹی وی ایس ڈائیڈز لائن اور زمین کے درمیان کنکشنز پر 6 کے وی/3 کے اے تک کے جھٹکوں کو برداشت کر سکتے ہیں، جبکہ ان کی کارکردگی مستحکم رہتی ہے اور کوئی بڑی ناکامی واقع نہیں ہوتی۔ آزادانہ ٹیسٹنگ سے ظاہر ہوتا ہے کہ یہ اجزاء بہت شدید درجہ حرارت (-40° سی سے لے کر +125° سی تک) کے دائرے میں بھی اچھی طرح کام کرتے ہیں، جو کلاس 4 بے حساسیت کے معیارات کو پورا کرتے ہیں۔ ڈیزائن انجینئرز کو یہ بات بہت پسند ہے کہ یہ اجزاء تحفظ کو ایک قابل اعتماد اجزاء میں مرکوز کر دیتے ہیں، جس کی بجائے متعدد طبقاتی فلٹرز اور دیگر کلیمپنگ آلے استعمال کرنے کی ضرورت نہیں ہوتی۔ اس سادگی کی وجہ سے مواد کی فہرست (بِل آف میٹیریلز) کے لیے درکار اجزاء کم ہو جاتے ہیں، سرٹیفیکیشن آسان ہو جاتی ہے، اور عموماً جب مصنوعات حقیقی میدانی حالات میں استعمال کی جاتی ہیں تو ان کی قابلیتِ اعتماد بہتر ہو جاتی ہے۔

عملی ٹی وی ایس ڈایوڈ کا انتخاب اور پی سی بی لے آؤٹ کی بہترین طریقہ کار

دوطرفہ بمقابلہ یکطرفہ ٹی وی ایس ڈایوڈز: قطبیت، زمینی کنکشن اور خرابی کے احاطے کا مطابقت پیدا کرنا

جب انجینئرز بائی ڈائریکشنل اور یونی ڈائریکشنل ٹی وی ایس ڈایوڈز کے درمیان فیصلہ کر رہے ہوتے ہیں، تو انہیں یہ غور کرنا چاہیے کہ سگنل سسٹم کے اندر کس طرح راؤٹ ہو رہے ہیں اور کس قسم کی خرابیاں پیدا ہو سکتی ہیں۔ بائی ڈائریکشنل آپشنز دو ایوالانش ڈایوڈز کو ایک دوسرے کے ساتھ مخالف سمت میں جوڑنے کی طرح کام کرتے ہیں، جس کی وجہ سے یہ اے سی کپلڈ یا فلوٹنگ کنیکشنز کے لیے ضروری ہوتے ہیں جو ہم آر ایس-485، ایچ ڈی ایم آئی اور ایتھرنیٹ جیسی چیزوں میں دیکھتے ہیں، جہاں وولٹیج اسپائیکس دونوں سمت سے آ سکتے ہیں۔ یونی ڈائریکشنل ورژنز درحقیقت ڈی سی سرکٹس میں وولٹیج کلیمپنگ کے معاملے میں بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں، کیونکہ وہ مثبت ٹرانزینٹس کے سامنے بجلی کو زیادہ موثر طریقے سے گزارنے کی صلاحیت رکھتے ہیں، اور ساتھ ہی منفی اسپائیک کی صورت میں کرنٹ کے بہاؤ کو روک دیتے ہیں۔ تاہم، اس معاملے میں غلطی کرنا بہت اہم ہے۔ اگر بائی ڈائریکشنل کمیونیکیشن لائن پر یونی ڈائریکشنل ڈایوڈ لگا دیا جائے تو منفی سرج کے خلاف تحفظ میں کمزوری پیدا ہو جاتی ہے، جو اگلے مرحلے میں حساس اجزاء کو نقصان پہنچا سکتی ہے۔ زمین کنیکشن کا اس معاملے میں بھی اتنی ہی اہمیت ہے۔ بہترین طریقہ کار یہ ہے کہ ٹی وی ایس کی کیتھوڈ (یا بائی ڈائریکشنل ماڈلز میں مشترکہ نقطہ) سے چھوٹے اور چوڑے کاپر ٹریسز کو براہ راست مضبوط زمینی پلین تک لے جایا جائے، جس میں استحکام کے لیے کئی تھرمل وائیز موجود ہوں۔ خراب زمینی کنیکشن سے تنگ آنے والے 'گراؤنڈ باؤنس' کے مسائل پیدا ہوتے ہیں جو سرج تحفظ کی موثریت کو کم کر دیتے ہیں، جس کی وجہ سے مختلف صنعتی ٹیسٹس کے مطابق یہ موثری تقریباً آدھی تک کم ہو سکتی ہے۔

بہترین مقام: ٹریس انڈکٹنس کو کم سے کم کرنا اور تحفظ کی موثریت کو زیادہ سے زیادہ کرنا

PCB کی ترتیب وہ بات ہے جو TVS کی کارکردگی کے لیے اجزاء کی خصوصیات کو دیکھنے سے زیادہ اہم ہوتی ہے۔ ڈایوڈ کو کنیکٹر یا محفوظ شدہ آئی سی پن سے تقریباً آدھا سینٹی میٹر سے زیادہ فاصلے پر نہیں رکھنا چاہیے۔ ہر اضافی سینٹی میٹر تقریباً 10 نینو ہینریز کی سیریز انڈکٹنس متعارف کراتا ہے، جو کلیمپنگ کے عمل کو سست کر سکتا ہے اور ESD واقعات کے دوران خطرناک وولٹیج اسپائکس کو پیدا ہونے دے سکتا ہے۔ ٹریسز کو روٹ کرتے وقت سیدھی لکیریں استعمال کریں اور انہیں چوڑا رکھیں (کم از کم 20 مِل) جبکہ ان زاویہ والے موڑوں سے گریز کریں جو امپیڈنس کے مسائل پیدا کرتے ہیں۔ ہائی اسپیڈ انٹرفیسز کے لیے، TVS کو کنیکٹر کے قریب ترین مقام پر لگانا چاہیے۔ گراؤنڈ پیڈ کو تین یا اس سے زیادہ یکساں فاصلے پر واقع وائیاز کے ذریعے ریفرنس پلین سے براہ راست منسلک کریں۔ اس سے ایک اچھا کم انڈکٹنس واپسی کا راستہ بن جاتا ہے جو طوفانی کرنٹ کا 90 فیصد سے زیادہ حصہ نازک سرکٹری سے دور بھیج دیتا ہے۔ IEC 61000-4-2 کے معیارات کے مطابق حقیقی دنیا کے تجربات سے ثابت ہوا ہے کہ یہ ترتیب کے طریقے قدیم طریقوں کے مقابلے میں عارضی توانائی کے عرضی دورانیے کو تقریباً آدھا کر دیتے ہیں، جن میں گراؤنڈز کو ڈیزی چین کی صورت میں جوڑا گیا ہو یا لمبے اسٹب کنیکشنز کا استعمال کیا گیا ہو۔