3.6 Диоды TVS

TVS — это ограничитель скоротечных (transient) бросков напряжения, подавляющий его всплески и защищающий электронные изделия и их наиболее чувствительные компоненты от импульсов повышенного напряжения при внешних воздействиях, таких как молнии, электростатические разряды, переключение индуктивных нагрузок или иные электромагнитные помехи. Хотя продолжительность этих импульсов сравнительно невелика (в пределах одной миллисекунды), но величина энергии в результате таких случайных скачков напряжения является достаточной для создания неисправностей компонентов и нанесения серьезного ущерба.

Спецификации TVS определяют его способность выдержать пик тока для определенной формы и длительности скачка напряжения. TVS может выдержать более высокое значение тока при меньшей длительности импульса. У большинства компонентов TVS параметры в их спецификациях определяются для следующих стандартных форм импульсов: 8/20 и 10/1000 мкс, где первая цифра указывает на длительность подъема до пика тока (tr), а вторая цифра — на длительность падения до половинного значения пика (td).

Эти формы импульсов определены стандартом IEC 61000-4 и изображены на рис. 3.19, где I_PPM (Peak Pulse Current max) — максимальное значение импульса тока; tr (rise time to peak value) — время подъема до пика; td (decay time to half value) — время падения до половинного значения.

Рис. 3.19

Выбор надлежащего ESD-компонента для защиты схемы с конкретной аппликацией требует правильного понимания как самой схемы, так и свойств TVS-диода, который не должен нарушить функционирование защищаемой им схемы, но быстро реагировать и шунтировать на заземление опасный ток и скачки напряжения при возникновении ESD-стрессов.

Рассмотрим основные параметры TVS и рекомендации к их правильному выбору.

• Reverse Breakdown Voltage (V_BR) — это обратное напряжение (пробоя), при котором TVS начинает проводить ток, обеспечивая низкий импеданс для внезапного импульса повышенного напряжения и тем самым отводя его от защищаемой схемы. То есть это напряжение, при котором TVS начинает процесс блокировки (clamping). V_BR измеряется при определенном тестовом токе (I_T), как правило, для 1 или 10 мА и является важным параметром, указанным в спецификации TVS.
• Maximum Working Reverse Voltage (V_RWM) или Stand-Off Voltage — максимальное значение номинального DC-напряжения TVS, при котором последний имеет высокий импеданс по отношению к защищаемой схеме в стандартном диапазоне температур. При выборе подходящего TVS этот параметр определяется рабочим напряжением схемы и должен быть несколько выше его, но обычно ниже на 10–15 %, чем обратное напряжение V_BR.
• Clamping Voltage (V_C) — максимальное падение напряжения на TVS при пиковом значении импульса тока I_PPM. При достижении напряжения V_C TVS блокирует протекание тока в защищаемую схему, отводя его на землю. Значение параметра V_C указывается для каждого TVS в его спецификации — в таблице электрических характеристик, и это напряжение, как правило, на 30–35 % выше, чем V_BR.
• Clamping Factor (C_F) — соотношение между V_C и V_BR:
  C_F = V_C / V_BR
  Защита с помощью TVS будет надежнее и эффективнее, если блокировочное напряжение V_C будет насколько возможно ближе к рабочему напряжению схемы, т. е. чем ниже будет Clamping Factor C_F.

• Peak Pulse Current (I_PPM) — максимальное пиковое значение импульса тока, которое TVS-диод может выдержать без повреждений. Характер неисправности у TVS выражается в коротком замыкании, поэтому при его повреждении от высоких бросков напряжения схема останется защищенной.
• Peak Pulse Power (P_PP) — способность TVS выдержать и подавить волны (surges) перенапряжения пропорциональна размеру его p-n перехода (junction area) и определяется параметром пиковой мощности P_PP в ваттах (киловаттах) для соответствующей формы импульса, при этом наиболее распространенной является форма тестового импульса 8/20 мкс. Эта мощность является производной от максимально допустимого пика напряжения и пика тока, отводимого через TVS. Следует учитывать, что номинальный параметр пиковой мощности, которую TVS-диоды могут выдержать при стрессах, зависит от температуры, и необходимо снижение этого параметра при повышении окружающей температуры. Стандартные параметры мощности TVS — 400 Вт, 600 Вт, 1500 Вт, 5 кВт и 15 кВт.
• Capacitance C_L — емкость TVS, измеряемая в пикофарадах при частоте 1 МГц. Этот параметр особенно важен для сохранности высокочастотных сигналов, которые могут быть искажены при высоких значениях емкости TVS.
• Reverse Leakage Current (I_R) — обратный ток утечки, определяемый при номинальном значении напряжения V_RWM и определенной температуре. Этот параметр особенно актуален для портативных электронных изделий, работающих от аккумуляторов (батарей), а их продолжительности могут способствовать TVS с низким током утечки.
• Forward Voltage Drop (V_F) — падение напряжения в режиме прямого тока для однонаправленного (unidirectional) TVS при определенном токе I_F.

TVS диоды могут быть однонаправленными (Unidirectional) или двунаправленными (Bidirectional) (рис. 3.20).

Рис. 3.20

Однонаправленный TVS действует как выпрямитель в прямом направлении подобно любому другому лавинному диоду, но изготовлен и тестирован так, чтобы выдержать очень большие пики тока, с энергией до нескольких киловатт. Двунаправленный TVS-диод может быть схематично представлен как состоящий из двух лавинных диодов, соединенных последовательно во взаимно противоположных направлениях. Эта терминология нередко приводит к путанице, и наиболее распространенное заблуждение заключается в том, что однонаправленный компонент обеспечивает защиту только от положительных или отрицательных стрессов, но не от обоих. Но это неверно, и значительное количество однонаправленных TVS обеспечивают защиту от обеих полярностей стрессов. Для начала следует уточнить терминологию. Однонаправленный TVS-диод имеет асимметричную зависимость тока от напряжения (I-V) и предназначен для защиты схем, у которых входные сигналы имеют одно направление: оно выше или ниже эталонного напряжения, т. е. земли (0 до +V_CC или –V_CC до 0). Двунаправленный TVS-диод имеет симметричную I-V характеристику и используется для защиты схем с сигналами, имеющими оба уровня напряжения — выше и ниже эталонного напряжения (земли). Рассмотрим это более подробно на следующих примерах. Использование однонаправленного TVS изображено на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Функционирование однонаправленного TVS-диода

Схема принимает сигналы, имеющие положительное напряжение, например от 0 до 5 В. Рабочая защищаемая зона показана с правой стороны оси тока. Если сигнал напряжения на входе значительно ниже 0 или выше 5 В, может возникнуть повреждение схемы. Для предотвращения неисправности однонаправленный TVS должен быть помещен между входом схемы и заземлением, заблокировав напряжение на уровне ниже, чем значение напряжения, могущего повредить чувствительную к стрессам схему. В случае если схема может принимать сигналы, которые всегда ниже нуля, тот же однонаправленный TVS может обеспечить защиту схемы при подключении с обратной полярностью. Функционирование двунаправленного TVS проиллюстрировано на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Функционирование двунаправленного TVS-диода

Схема может принимать на входе сигналы, диапазоны которых симметрично выше и ниже, чем земля, например ±5 В. Если напряжение на входе значительно ниже, чем –5 В или выше, чем +5 В, повреждение может быть причинено схеме. Двунаправленный TVS должен быть подключен между входом и заземлением, чтобы отвести ток на землю, блокируя напряжение ниже того уровня, при котором может возникнуть неисправность схемы.

Выбор однонаправленного или двунаправленного TVS зависит от свойств защищаемой схемы. Однонаправленные TVS защищают сигналы или DC линии питания с отклонениями в одном направлении, а двунаправленные TVS используются для защиты сигналов или AC линий питания с колебаниями сигналов в двух направлениях.

Всплески напряжения (рис. 3.23) величиной в несколько киловольт могут быть с помощью TVS ограничены (clamped) до необходимого безопасного уровня.

Рис. 3.23

Внезапный всплеск тока (см. приведенную схему на рис. 3.24) отведен на землю через TVS, а напряжение у защищаемой схемы ограничено до блокировочного напряжения V_C (Clamping Voltage). Чем ниже напряжение V_C , которое может быть достигнуто с помощью TVS или иного компонента защиты, тем совершеннее будет сама защита, так как снижение блокировочного напряжения способствует уменьшению энергии, которую интегральные схемы должны выдержать при воздействии стресса.

Рекомендации по правильному выбору основных параметров TVS-диода могут быть выражены следующей таблицей 3.14.

Табл. 3.14

Рис. 3.24

• Динамическое сопротивление R_DYN — динамическое сопротивление TVS крайне важно для надежной защиты электронных схем. Этот параметр не всегда указывается в спецификации TVS, но он может быть определен с помощью несложного расчета. Динамическое сопротивление определяется углом наклона кривой напряжения (как прямого, так и пробоя) относительно оси тока (рис. 3.25).
  Как видно из приведенного рисунка, динамическое сопротивление может быть рассчитано по формуле
  R_DYN (V, I) = dV / dI,
  где dV и dI — разница в напряжении и токе для двух точек кривой напряжения между V_BR и V_C.

Рис. 3.25

Рис. 3.26. Сравнение двух TVS-диодов с одинаковыми напряжением пробоя V_BR и пиком мощности, но с различными динамическими сопротивлениями

Рассмотрим влияние динамического сопротивления на примере двух похожих TVS-диодов A и B (рис. 3.26). Оба компонента имеют то же самое смещение 8.5 В и оба обладают пиком мощности в 200 Вт. Однако их динамическое сопротивление и, соответственно, эффективность защиты электронных схем совершенно различны.

При пике рассеиваемой мощности в 200 Вт, компонент A имеет на нем напряжение 10 В при токе 20 А, а компонент B при той же мощности в 200 Вт находится под напряжением 14 В при токе 14.2 А. В итоге у TVS-диода A блокировочное (clamping) напряжение окажется существенно ниже и он обеспечит значительно более эффективную защиту, чем TVS-диод B.

Таким образом, при выборе TVS с наиболее эффективной защитой, правильнее стремиться к компоненту с минимальным динамическим сопротивлением и по возможности более низким VC при определенных значениях тока, а не ориентироваться исключительно на значении пиковой мощности. Значение динамического сопротивления по существу является тем шунтирующим сопротивлением, которое будет обеспечено компонентом защиты при воздействии стресса.

TVS-диоды могут обеспечивать защиту от повышенных напряжений быстрее, чем другие компоненты, предназначенные для этой же цели, такие как варисторы или газоразрядные трубки. Блокирование напряжения может быть выполнено в течение не более нескольких пикосекунд, но в практических схемах индуктивность проводников схемы и корпуса TVS приводят к увеличению времени, требуемого для обеспечения защиты.

Весьма критичным для эффективной защиты является и оптимальный дизайн печатной платы с обязательным учетом следующих факторов:

1. TVS-диоды и иные компоненты защиты необходимо располагать, насколько возможно, ближе к разъемам интерфейса, что поможет подавить энергию на входе печатной платы и уменьшить вторичные эффекты от распространения ESD-разряда (radiated emissions).
2. Необходимо максимально сократить паразитную индуктивность, используя более короткие трассы от TVS до защищаемых схем. Принимая во внимание, что время достижения пика импульса при симуляции ESD составляет порядка 1 нс, импульс с пиком тока 30 А в соответствии с наивысшим уровнем (Level 4) стандарта IEC 61000-4-2 и последовательной паразитной индуктивности величиной в 1 нГн может повысить блокировочное напряжение на 30 В.
3. Насколько это возможно, соединения для заземления TVS должны быть наиболее короткими и эффективными.
4. Для высокоскоростных цифровых сигналов емкость TVS становится крайне важным параметром. Во избежание искажения сигналов и их сохранности (signal integrity) компоненты защиты должны быть минимальными емкостными нагрузками для защищаемых ими схем.

В интегральных схемах также предусматривается определенная защита от скоротечных импульсов повышенного напряжения, но из-за ограниченных размеров чипа возможна лишь его минимальная защита, поэтому внешняя защита схемы (изделия) с помощью TVS обязательна в тех применениях, где существует угроза повреждений от опасных всплесков напряжения.

При низкой мощности и для более компактных применений используются цепочки TVS (suppressor arrays). Oни, как правило, являются однонаправленными TVS и применяются в информационных линиях (data lines) для защиты входных и выходных каналов (I/O ports) от статического разряда. TVS имеют рабочие напряжения в широком диапазоне (от 5 В с небольшими приращениями до почти 400 В) и используются во множестве различных схем и применений. TVS-диоды имеются в корпусах различных размеров (в зависимости от требуемого пика мощности) и выпускаются как с выводами для печатных плат с отверстиями, так и для технологии поверхностного монтажа.

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИДЫ КОРПУСОВ TVS-ДИОДОВ

ЦЕПОЧКИ TVS (TVS ARRAYS)

TVS-диоды некоторых изготовителей имеют зарегистрированные торговые марки, со специфическими наименованиями, например, TransZorb^® у изготовителя Vishay General Semiconductor или Transil^® у фирмы STMicroelectronics.