Bruke TVS-dioder til å gjøre kretser mer robuste og opprettholde elektrisk integritet

EFT-spenninger (ETF – electrical fast transient – elektrisk rask transient) er en realitet som konstruktører må ta hensyn til for å beskytte kretser, systemer og systembrukere. EFT-er har mange kilder, inkludert vanlig elektrostatisk utladning (ESD – electrostatic discharge) på grunn av enkle handlinger som å gå over et teppe, starte en motor eller lynnedslag som forårsaker rippelvirkning. Disse transientene kan ha en negativ innvirkning på alle produktklasser, fra batteridrevne kroppsbårne enheter med lav spenning til kraftige motorsystemer.

Virkningene av EFT-spenninger varierer fra midlertidige avbrudd og manglende evne til å fungere, til langvarig forringelse av ytelsen og direkte permanent skade og svikt. Selv om konstruktører kan iverksette tiltak for å redusere transienter, for eksempel ved å bruke antistatiske kabinetter, filtrering, begrensning ved kilden eller implementering av ekstra jording, må disse tiltakene ofte gjennomgås eller oppgraderes, avhengig av det spesifikke bruksscenariet.

For å minimere eller eliminere de skadelige konsekvensene av transientspenninger på en pålitelig måte, kan konstruktører bruke passive komponenter med to terminaler kalt transientdempingsdioder (TVS diodes – transient voltage suppression diodes). Selv om disse diodene vanligvis betraktes som en åpen krets, reagerer de nesten øyeblikkelig og ligner en kortslutning når den transiente hendelsen inntreffer, og dermed avleder de den transiente overspenningen til jord. TVS-dioder gir rask respons, høy holdespenningskapasitet, lang levetid og lav kapasitans.

Denne artikkelen vil se nærmere på behovet, rollen, typene og bruksområdene til TVS-dioder ved å bruke ulike enhetsfamilier og enheter fra Eaton Corporation plc (Eaton) som eksempler.

Begynn med IEC-standarder

For å redusere risikoen ved EFT-spenninger, har IEC (International Electrotechnical Commission) definert tre internasjonalt anerkjente standarder for overspenningsbeskyttelse i IEC 61000-4 («Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC): Testings- og målingsteknikker»):

1) IEC 61000-4-2 dekker ESD-immunitet på systemnivå, som gjelder for ESD (elektrostatisk utladning) forårsaket av menneskelig kontakt (figur 1). For denne bølgeformen er stigetiden (tr) kort, 0,7 til 1 nanosekund (ns), og mesteparten av energien forsvinner i løpet av de første 30 ns, og vil deretter raskt svekkes. Derfor er svært hurtigvirkende overspenningsvern nødvendig for å oppnå en betimelig respons på ESD-hendelser.

Figur 1: En typisk ESD-pulsbølgeform på grunn av menneskelig kontakt, som karakterisert av IEC 61000-4-2, viser en svært kort stigetid på mindre enn et nanosekund, og mesteparten av energien forsvinner i løpet av de første 30 ns. (Bildekilde: Eaton)

Bølgeformen alene indikerer ikke de tilknyttede spenningsnivåene. IEC 61000-4-2 spesifiserer testspenninger for ESD-immunitet på systemnivå i forskjellig utstyr for kontakt- og luftutladning (figur 2).

Figur 2: IEC 61000-4-2-nivåene for luft- og kontaktutladning definerer videre spesifikasjonene for menneskelig kontakt. (Bildekilde: Eaton)

Det riktige valget av TVS-diode vil avhenge av ESD-beskyttelsesnivået som kreves i en konstruksjon. Vær oppmerksom på at alle TVS-diodene fra Eaton tilbyr minimumsytelse på nivå 4 når de testes i henhold til IEC 61000-4-2. Andre alternativer er tilgjengelige med enda høyere ESD-beskyttelse, som gir opptil 30 kilovolt (kV) for både luft- og kontaktutladning.

2) IEC 61000-4-5 dekker immunitet mot elektriske overspenninger, for eksempel fra lyn eller systemer med strømveksling. I motsetning til statisk elektrisitet med relativt lav effekt, kan lynnedslag inneholde opptil 1 gigajoule (GJ) med energi og levere opptil 120 kV overspenning. Lyninduserte transientspenninger kan oppstå på grunn av direkte lynnedslag på elektriske utendørskretser som produserer overspenning, indirekte lynnedslag som induserer overspenning i ledere eller lynstrømflyt gjennom jord. Vær oppmerksom på at TVS ESD-demperne ikke er ment å beskytte mot direkte lynnedslag, men det er fortsatt behov for dempere ettersom disse nedslagene kan sende transientspenninger gjennom elektriske distribusjonssystemer i avstander på 1,6 km eller mer.

IEC 61000-4-5 definerer en typisk lynspenningsbølge (figur 3).

Figur 3: Dette er lynpulsbølgeformen definert av IEC 61000-4-5 (I_PP er toppstrøm). (Bildekilde: Eaton)

IEC 61000-4-5-standarden spesifiserer også testspenningsnivåer for overspenningsimmunitet i klasser av elektrisk/elektronisk utstyr (figur 4).

Nivåene er definert av sluttkonstruksjonen:

• Klasse 1: Delvis beskyttet miljø
• Klasse 2: Elektrisk miljø der kablene er godt atskilt, selv ved korte løp
• Klasse 3: Elektrisk miljø der strøm- og signalkabler går parallelt
• Klasse 4: Elektrisk miljø med sammenkoblinger som løper som utendørskabler sammen med strømkabler, og kablene brukes til både elektroniske og elektriske kretser

Figur 4: IEC 61000-4-5 definerer fire testnivåklasser for elektrisk overspenningsimmunitet. (Bildekilde: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 dekker beskyttelse for EFT-er (figur 5). EFT-er er forårsaket av driften av induktive laster, for eksempel kraftige motorer, reléer, vekslingskontaktorer i strømdistribusjonssystemer og inn-/utvekslingen fra utstyr for effektfaktorkorreksjon.

Figur 5: Her vises EFT-pulsbølgeformen som er karakterisert av IEC 61000-4-4. (Bildekilde: Eaton)

Legg merke til at EFT-er ofte karakteriseres av to parvise tall: Stigetiden deres til toppverdi (t₁) og pulsvarigheten frem til transienten faller til 50 % av toppverdien (t₂). Transienten på 8/20 mikrosekunder (µs) er en vanlig puls i industrielle konstruksjoner.

Størrelsen på transientspenning-ESD som en krets eller et system må tåle, avhenger av konstruksjonen. Tre klasser er definert av MIL-STD-883, som er mye brukt av bransjen, samt militære systemer og romfartssystemer (figur 6).

Figur 6: Det er tre nivåer av ESD-følsomhetsklassifiseringer i henhold til MIL-STD-883 metodenummer 3015. (Bildekilde: Eaton)

TVS-enheter løser problemet

For å oppfylle ulike krav og beskytte systemene sine, kan konstruktører bruke TVS-dioder. TVS-dioder er overspenningsvern av silisium som fungerer basert på prinsippet rundt diode-avalanche-gjennombrudd. De installeres parallelt med den normale kretsen for å beskytte interne komponenter mot kortvarige (transiente) og middels/høye spenninger (figur 7).

Figur 7: TVS-dioden plasseres på tvers av inngangen, mellom linjen som beskyttes og systemets jord. (Bildekilde: Eaton)

Under normal, ikke-transient drift, opprettholder TVS-diodene en høy impedans og forstyrrer ikke strøm- eller signaloverføringen gjennom utstyr. Når en TVS-diode opplever et plutselig støt med høy energi over terminalene, vil den beskytte kretselementer lenger nede i kretsen ved å raskt gå inn i en tilstand med lav impedans (kalt avalanche-gjennombrudd) for å absorbere den store strømmen og begrense spenningen til et trygt nivå.

TVS-dioder er tilgjengelige som enheter med ensrettede eller toveis P-N-overgangsskikt. Til tross for navnene, demper de fleste ensrettede TVS-dioder spenninger i begge polariteter. Forskjellen er at ensrettede typer har asymmetriske spenning-strøm-egenskaper (V-I), mens toveis TVS-dioder har symmetriske V-I-egenskaper (figur 8). Toveis TVS-dioder er godt egnet for å beskytte elektriske noder med signaler som er toveis eller både over og under jordspenningen.

Figur 8: TVS-diodenavn gjenspeiler ikke noen iboende retningsvirkning. I stedet har ensrettede TVS-dioder asymmetriske spenning-strøm-egenskaper (V-I), mens toveis dioder har symmetriske V-I-egenskaper. (Bildekilde: Eaton)

Parametere, innkapsling og plassering på øverste nivå definerer TVS-ytelse

TVS-dioder er definert av mange spesifikasjoner på høyt nivå. Noen av disse er:

• Nominell omvendt maksimal arbeidsspenning (V_RWM): Også kalt omvendt nedbrytningsspenning (reverse standoff voltage). Dette er den maksimale driftsspenningen til en TVS-diode når den er «AV»
• Gjennombruddsspenning (V_BR): Spenningen der avalanche-gjennombrudd oppstår i en TVS-diode, noe som resulterer i lav impedans
• Reversstrøm (I_R): Strømmen som flyter gjennom en TVS-diode når den er i sperrespenning (revers-biased)
• Begrensningsspenning (Vc): Spenningen over en TVS-diode ved den nominelle toppulsstrømmen (I_pp)
• Kapasitans: Et mål på lagret ladning, vanligvis i pikofarad (pF), mellom inngangspinnen og et annet referansepunkt (ofte jord), vanligvis målt med et signal på 1 megahertz (MHz)
• Toppstrøm (I_pp): Forskjellen mellom maksimale positive og maksimale negative amplituder for en strømbølgeform

Det å velge en TVS-diode er vanligvis en firetrinns prosess:

1. Velg en diode med en nedbrytningsspenning som er høyere enn den normale driftsspenningen
2. Bekreft at den spesifiserte toppstrømmen overskrider den forventede toppstrømmen, og sørg for at dioden er spesifisert for å håndtere den nødvendige strømmen under en transienthendelse
3. Beregn maksimal begrensningsspenning (V_CL) for den valgte dioden
4. Bekreft at den beregnede V_CL er mindre enn den spesifiserte absolutte maksimalklassifiseringen for den beskyttede pinnen

TVS-enhetens plassering på kretskortet er avgjørende for å realisere de fulle ytelsesmulighetene til disse enhetene. For å skape det beste overspenningvernet, bør diodene plasseres så nærme spenningens inngangspunkt som mulig, for eksempel I/O-portene, for å minimere virkningen av parasittstrømmer på den effektive dempingen av de raske transiente overspenningene.

Eksempel på TVS-dioder illustrerer tilbudene

Eatons TVS-dioder er godt egnet for overspenningsvern i I/O-grensesnitt og høyhastighets digitale og analoge signallinjer. De tilbyr svært lave begrensningsspenninger, høy toppeffekt, høy effektavledning og responstider i nanosekund-området.

TVS-diodens kapsling er nært relatert til spesifikasjonene. Både overflatemonterte og hullmonterte kapslinger er tilgjengelige, der sistnevnte tilbyr høyere spenning/strøm-ytelse.

TVS-dioder må beskytte mot et bredt område av spenninger og strømmer. Derfor kan ikke én verdi for spenningsklassifisering og andre parametere tilfredsstille alle EFT-situasjoner. Eksempler fra fire forskjellige familier illustrerer disse punktene.

1) SMFE-serien har en toppulseffektkapasitet på 200 watt, med en bølgeform på 10/1000 µs. Enhetene er plassert i en lavprofilert, overflatemontert SOD-123FL-standardkapsling som måler 2 × 3 × 1,35 millimeter (mm), som optimaliserer kortplassen for mobile og bærbare enheter.

Ett medlem av serien, er SMFE5-0A (figur 9). Den har en begrensningsspenning på 9,2 V, en (A) I_pp-verdi på 21,7 ampere, og den støtter ensrettet eller toveis brukstilfeller. Reversstrøm (revers lekkasjestrøm) er under 1 μA over 10 V drift, og responstiden er rask, vanligvis mindre enn 1,0 pikosekund (ps) fra 0 volt til V_BR.

Figur 9: SMFE5-0A 9,2 V TVS-dioden leveres i en lavprofilert, overflatemontert SOD-123FL-kapsling, og den er rettet mot mobile og bærbare enheter. (Bildekilde: Eaton)

2) ST-serien beskytter én toveis I/O-linje, og er egnet for USB og andre dataporter, berøringsplater, knapper, likestrøm, RJ-45-kontakter og RF-antenner. Medlemmer av denne familien, for eksempel den 33 volt, 12 A I_pp STS321120B301, er plassert i en liten SOD-323 SMT-kapsling som måler 1,8 × 1,4 × 1,0 mm, og er klassifisert til 400 watt maksimal pulseffekt per linje (t_P = 8/20 μs). Dioder i denne serien støtter arbeidsspenninger som spenner fra 2,8 volt likestrøm (V_DC) til 70 V_DC, med ultralav kapasitans ned til 0,15 pF. Disse diodene gir ESD-beskyttelse på opptil 30 kV (i henhold til IEC 61000-4-2).

3) AK-serien består av høyeffekts TVS-dioder med beskyttelse på opptil 10 000 A, og den er konstruert for å møte strenge overspenningstestmiljøer for AC- og DC-konstruksjoner. Disse diodene har lav indre elektrodemotstand (slope resistance) samt en overlegen dempingsfaktor på grunn av hystereseeffekt-teknologi (snapback technology). De oppfyller UL1449-standardene for overspenningsvern for bruksområder som forbrukerelektronikk, apparater, industriautomasjon eller AC-linjebeskyttelse. (Merknad: Indre elektrodemotstand eller dynamisk motstand er motstanden som tilbys av dioden når en AC-spenning påføres. Hystereseeffekt er en enhetsprosess der konduksjonen av store strømmer fortsetter selv ved lavere spenninger.)

For å oppfylle strømstyrke- og UL-kravene, bruker enheter i denne serien hullmonterte kapslinger med aksial-ledere, som brukes med AK6E-066C, en begrensning (clamp) på 120 V og en diode på 6000 A I_pp (figur 10). Denne dioden måler 25 mm langs lederne, med en nesten kvadratisk «sentral» hoveddel som måler ca. 13 × 15 mm.

Figur 10: Den 120 V AK6E-066C TVS-dioden med høy effekt gir beskyttelse på opptil 10 000 A, og er plassert i en hullmontert kapsling med aksial-leder. (Bildekilde: Eaton)

4) TVS-dioder med SMA-størrelse i SMAJExxH-serien er unike ved at de er kvalifisert i henhold til AEC-Q101-standardene som kreves for bruk i kjøretøy. De leverer en toppulseffektkapasitet på 400 watt (med en bølgeform på 10/1000 μs) og har en rask responstid som vanligvis er mindre enn 1,0 ps fra 0 V til V_BR, sammen med en I_R-verdi på mindre enn 1 μA over 10 volt.

Enheter i denne familien spenner fra 5 til 440 volt med ensrettede og toveis versjoner for hver enhet, og inkluderer SMAJE22AH, som har en begrensningsspenning på 35,5 V med en I_pp-verdi på 11,3 A (figur 11). Alle enhetene i serien er plassert i overflatemonterte plastkapslinger som måler 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (maksimum) og oppfyller UL 94 V-0-klassifiseringen for brennbarhet (figur 11).

Figur 11: SMAJE22AH 35,5 V TVS-dioden er kvalifisert i henhold til kjøretøystandarder i AEC-Q101. Den bruker også plastkapsling som oppfyller UL 94 V-0-standarden for brennbarhet. (Bildekilde: Eaton)

Konklusjon

Elektriske transienter fra statisk elektrisitet, motoroppstart eller lyn i nærheten kan skade elektroniske systemer og komponenter. TVS-dioder reagerer på disse overspenningene nesten umiddelbart og avleder transientspenningen og energien til jord, noe som dermed beskytter systemet. Som vist, tilbyr Eaton ulike serier med TVS-dioder, der hver serie omfatter en rekke enheter som er klassifisert ved forskjellige spenninger for å samsvare den forventede transientspenningsstørrelsen, sluttproduktets begrensninger og regulatoriske mandater, samtidig som de kun krever noen få kvadratmillimeter på kretskortet.