Brug transient-dæmper-dioder til at robustgøre kredsløb og opretholde elektrisk integritet

Elektriske hurtige transientspændinger (Electrical fast transient/EFT) voltages er en realitet, som designere skal tage hensyn til for at beskytte deres kredsløb, systemer og systembrugere. EFT'er har mange kilder, herunder almindelig elektrostatisk afladning (ESD) på grund af en simpel handling som at gå på et tæppe, starte en motor eller et lynnedslag, hvilket forårsager en ringvirkning. Disse transienter kan påvirke alle produktklasser negativt, fra lavspændings-batteridrevne-kropsbårne-enheder til motorsystemer med høj effekt.

Virkningerne af EFT'er spænder fra midlertidig forstyrrelse og manglende evne til at fungere til langvarig forringelse af ydeevnen og direkte permanent skade og svigt. Mens designere kan tage skridt til at reducere spændingstransienter, såsom at bruge antistatiske kabinetter, filtrering, klampning ved kilden eller implementere ekstra jordforbindelse, skal disse foranstaltninger ofte revideres eller opgraderes afhængigt af det specifikke anvendelsesscenarie.

For pålideligt at minimere eller eliminere de skadelige konsekvenser af transiente spændinger kan designere bruge passive komponenter med to terminaler kaldet transient-dæmper-dioder (transient voltage suppression/TVS diodes). Selvom de normalt betragtes som et åbent kredsløb, reagerer disse dioder næsten øjeblikkeligt og ligner en kortslutning, når den transiente hændelse opstår, og afleder dermed den forbigående overspænding til jord. TVS-dioder har hurtig respons, høj spændingsbestandighed, lang levetid og lav kapacitans.

Denne artikel vil undersøge behovet, rollen, typerne og anvendelsen af TVS-dioder ved hjælp af forskellige enhedsfamilier og enheder fra Eaton Corporation plc (Eaton) som eksempler.

Start med IEC-standarder

For at mindske risikoen ved EFT'er har Den Internationale Elektrotekniske Kommission (IEC) defineret tre internationalt anerkendte standarder for overspændingsbeskyttelse indenfor IEC 61000-4 ("Elektromagnetisk kompatibilitet (Electromagnetic compatibility/EMC): Test- og måleteknikker"):

1) IEC 61000-4-2 dækker elektrostatisk udladningsimmunitet (Electrostatic Discharge/ESD immunity) på systemniveau, som gælder for ESD forårsaget af menneskelig kontakt (figur 1). For denne bølgeform er stigningstiden (tr) kort, 0,7 til 1 nanosekund (ns), og det meste af energien forsvinder inden for de første 30 ns, hvorefter den aftager hurtigt. Derfor er det nødvendigt med en meget hurtigt virkende overspændingsbeskyttelse for at kunne reagere rettidigt på ESD-hændelser.

Figur 1: en typisk ESD-pulsbølgeform på grund af menneskelig kontakt, som karakteriseret af IEC 61000-4-2, viser en meget kort stigningstid på mindre end et nanosekund, hvor det meste af energien spredes inden for de første 30 ns. (Billedkilde: Eaton)

Kurveformen alene angiver ikke de tilhørende spændingsniveauer. IEC 61000-4-2 specificerer testspændinger for ESD-immunitet på systemniveau i forskelligt udstyr til kontakt- og luftudladning (figur 2).

Figur 2: IEC 61000-4-2-niveauerne for luft- og kontaktudledning definerer yderligere specifikationerne for kontakt med mennesker. (Billedkilde: Eaton)

Det rigtige valg af TVS-diode afhænger af det niveau af ESD-beskyttelse, der kræves i en applikation. Bemærk, at alle Eatons TVS-dioder har en minimumsydelse på niveau 4, når de testes i henhold til IEC 61000-4-2. Andre muligheder fås med endnu højere ESD-modstandsbeskyttelse, der giver op til 30 kilovolt (kV) for både luft- og kontaktafladning.

2) IEC 61000-4-5 dækker immunitet mod elektriske overspændinger, f.eks. fra lynnedslag eller fra strømsystemer med omkobling. I modsætning til statisk elektricitet med relativt lav effekt kan lynnedslag indeholde op til 1 gigajoule (GJ) energi og levere en overspænding på op til 120 kV. Lyninducerede transienter kan opstå på grund af direkte lynnedslag i udendørs elektriske kredsløb, der producerer overspændinger, indirekte lynnedslag, der inducerer overspændinger i ledere eller jordstrøm fra lynnedslag. Bemærk, at TVS-ESD-overspændingsbeskyttere ikke er beregnet til at beskytte mod direkte lynnedslag, men overspændingsbeskyttere er stadig nødvendige, da disse nedslag kan sende transienter gennem elektriske distributionssystemer i afstande på 1 mil eller mere.

IEC 61000-4-5 definerer en typisk bølgeform for lynspænding (figur 3).

Figur 3: dette er lynimpulsbølgeformen defineret af IEC 61000-4-5 (_IPP er spidsstrøm). (Billedkilde: Eaton)

IEC 61000-4-5-standarden specificerer også testspændingsniveauer for overspændingsimmunitet i klasser af elektrisk/elektronisk udstyr (figur 4).

Niveauerne defineres af slutanvendelsen:

• Klasse 1: delvist beskyttet miljø
• Klasse 2: elektrisk miljø, hvor kabler er godt adskilt, selv ved korte strækninger
• Klasse 3: elektrisk miljø, hvor strøm- og signalkabler løber parallelt
• Klasse 4: elektrisk miljø med sammenkoblinger, der føres som udendørs kabler sammen med strømkabler, og kablerne bruges til både elektroniske og elektriske kredsløb.

Figur 4: IEC 61000-4-5 definerer fire klasser af testniveauer for elektrisk overspændingsimmunitet. (Billedkilde: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 dækker beskyttelse af EFT'er (figur 5). EFT forårsages af induktive belastninger som f.eks. kraftige motorer, relæer, kontaktorer i elektriske distributionssystemer og ind- og udkobling af udstyr til effektfaktorkorrektion.

Figur 5: her ses EFT-pulsens bølgeform som karakteriseret af IEC 61000-4-4. (Billedkilde: Eaton)

Bemærk, at EFT'er ofte blot er karakteriseret ved to parrede tal: deres stigningstid til spidsværdi (t₁) og pulsvarigheden, indtil transienten falder til 50% af spidsværdien (t₂). Transienten på 8/20 mikrosekunder (µs) er en almindelig puls i industrielle applikationer.

Størrelsen af den transiente ESD-spænding, som et kredsløb eller system skal kunne modstå, afhænger af anvendelsen. Tre klasser er defineret i MIL-STD-883, som er meget udbredt i industrien samt i militær- og rumfartssystemer (figur 6).

Figur 6: der er tre niveauer af ESD-følsomhedsklassifikationer i henhold til MIL-STD-883 Method Number 3015. (Billedkilde: Eaton)

TVS-enheder løser problemet

For at opfylde forskellige krav og beskytte deres systemer kan designere bruge TVS-dioder. TVS-dioder er silicium-overspændingsbeskyttelsesenheder, der fungerer baseret på diode-lavine-nedbrudsprincippet. De installeres parallelt med det normale kredsløb for at beskytte interne komponenter mod kortvarige (transiente) og mellemstore/høje spændinger (figur 7).

Figur 7: TVS-dioden placeres på tværs af indgangen mellem den linje, der skal beskyttes, og systemets jord. (Billedkilde: Eaton)

I normal, ikke-transient drift opretholder TVS-dioder en høj impedans og forstyrrer ikke strøm- eller signaltransmission gennem udstyr. Men når en TVS-diode oplever et øjeblikkeligt højenergisk stød over sine terminaler, beskytter den nedstrøms kredsløbselementer ved hurtigt at gå ind i en lavimpedanstilstand (kaldet lavinenedbrydning) for at absorbere den store strøm og klemme spændingen ned til et sikkert niveau.

TVS-dioder fås som ensrettede eller bidirektionale P-N-overgangsenheder. På trods af navnene undertrykker de fleste ensrettede TVS-dioder spændinger i begge polariteter. Forskellen er, at ensrettede typer har asymmetriske spænding-strøm-egenskaber (V-I), mens bidirektionale TVS-dioder har symmetriske V-I-egenskaber (figur 8). Tovejs TVS-dioder er velegnede til at beskytte elektriske knudepunkter med signaler, der er bidirektionale eller både over og under jordspændingen.

Figur 8: TVS-diodernes navne afspejler ikke nogen indbygget retningsbestemthed. I stedet har ensrettede TVS-dioder asymmetriske spænding-strøm-egenskaber (V-I), mens bidirektionale dioder har symmetriske V-I-egenskaber. (Billedkilde: Eaton)

De bedste parametre, indpakning og placering definerer TVS-ydelsen

TVS-dioder er defineret af mange specifikationer på højt niveau. Heriblandt er:

• nominel maksimal omvendt arbejdsspænding (V_RWM): også kaldet stand-off-spærrespænding (reverse standoff voltage), dette er den maksimale driftsspænding for en TVS-diode, når den er "OFF"
• nedbrydningsspænding (V_BR): den spænding, hvor der sker lavinenedbrydning i en TVS-diode, hvilket resulterer i lav impedans
• omvendt lækstrøm (I_R): strømmen, der løber gennem en TVS-diode, når den er omvendt forspændt
• klemspænding (Vc): spændingen over en TVS-diode ved dens maksimale pulsstrøm (I_pp)
• Kapacitans: Et mål for lagret ladning, generelt i picofarad (pF), mellem input-ben og et andet referencepunkt (ofte jord), typisk målt med et 1 megahertz (MHz) signal
• Spidsstrøm (I_pp): forskellen mellem en strømbølgeforms maksimale positive og maksimale negative amplituder

At vælge en TVS-diode er typisk en firetrins-proces:

1. Vælg en diode med en standoff-spænding, der er højere end den normale driftsspænding
2. Kontrollér, at den specificerede spidsstrøm overstiger den forventede spidsstrøm, og sørg for, at dioden er specificeret til at håndtere den nødvendige effekt under en transient hændelse
3. Beregn den maksimale klemmespænding (V_CL) for den valgte diode
4. Bekræft, at den beregnede V_CL er mindre end den specificerede absolutte maksimumværdi for det beskyttede ben

TVS-enhedens placering på printkortet er afgørende for at opnå disse enheders fulde ydeevne. For at opnå den bedste overspændingsbeskyttelse skal dioderne placeres så tæt som muligt på spændingsindgangspunktet, f.eks. ved I/O-portene for at minimere parasitternes indvirkning på den effektive undertrykkelse af de hurtige transiente overspændinger.

Eksempler på TVS'er illustrerer udvalget af produkter

Eatons TVS-dioder er velegnede til overspændingsbeskyttelse i I/O-interfaces og digitale og analoge højhastighedssignallinjer. De tilbyder meget lave klemmespændinger, høj spidseffekt, høj strømspredning og nanosekund responstider.

TVS-diodeemballage er tæt forbundet med specifikationerne. Der findes forskellige udgaver til hhv. overflademontering og til montering ved gennemgående huller igennem printkortet, hvor sidstnævnte giver højere spænding/strøm ydeevne.

TVS-dioder skal beskytte mod en bred vifte af spændinger og strømme. Derfor er én værdi for nominel spænding og andre parametre ikke egnet til alle EFT-situationer. Eksempler fra fire forskellige familier illustrerer disse pointer.

1) SMFE-serien har en impulstopeffekt på 200 watt med en bølgeform på 10/1000 µs. Enhederne er indkapslet i en standard lavprofil SOD-123FL overflademonteret standardpakke, der måler 2 × 3 × 1,35 millimeter (mm), hvilket optimerer pladsen på printkort til mobile og kropsbåren (wearable)-enheder.

Et medlem af serien er SMFE5-0A (figur 9). Den har en klemmespænding på 9,2 V, en I_pp på 21,7 ampere (A) og understøtter envejs eller bidirektionale brugstilfælde. Omvendt lækstrøm er under 1 μA over 10 V drift, og responstiden er hurtig, typisk mindre end 1,0 picosekund (ps) fra 0 volt til V_BR.

Figur 9: SMFE5-0A 9,2 V TVS-diode leveres i en lavprofil SOD-123FL overflademonteret pakke og er målrettet mobile- og kropsbåren elektronik- (wearables) anvendelser. (Billedkilde: Eaton)

2) ST-serien beskytter en bidirektionale I/O-linje og er målrettet USB og andre dataporte, touchpads, knapper, DC-strøm, RJ-45-stik og RF-antenner. Medlemmer af denne familie som f.eks. 33 volt, 12 A I_pp STS321120B301 er anbragt i en lille SOD-323-SMT-pakke, der måler 1,8 × 1,4 × 1,0 mm og er klassificeret til 400 watt impulstopeffekt pr. linje (t_P = 8/20 μs). Dioderne i denne serie understøtter arbejdsspændinger fra 2,8 volt DC (V_DC) til 70 V_DC med ultra-lav kapacitans ned til 0,15 pF. Disse dioder yder ESD-beskyttelse på op til 30 kV (i henhold til IEC 61000-4-2).

3) AK-serien består af højeffektive TVS-dioder med op til 10.000 A beskyttelse og er designet til at opfylde krævende overspændingstest-miljøer til AC- og DC-applikationer. Disse dioder har lav hældningsmodstand samt en overlegen klemmefaktor på grund af snapback-teknologi. De opfylder UL1449-standarderne for overspændingsbeskyttelsesenheder for anvendelser som forbrugerelektronik, apparater, industriel automatisering eller AC-ledningsbeskyttelse. (Bemærk: hældning eller dynamisk modstand er den modstand, som dioden yder, når der tilføres en vekselspænding; snapback er en proces i enheden, hvor store strømme fortsat ledes, selv ved lavere spændinger).

For at opfylde strømstyrke- og UL-kravene bruger denne series enheder emballage med aksial ledning til gennemgående hul i printkort, som brugt med AK6E-066C, en 120 V-klemme og 6000 A I_pp-diode (figur 10). Denne diode måler 25 mm langs ledningerne, og har et næsten kvadratisk "centralt" hus, der måler ca. 13 × 15 mm.

Figur 10: AK6E-066C 120 V TVS-diode med høj effekt giver beskyttelse op til 10.000 A og er indkapslet i et hus med aksiale-ledder til montering ved gennemgående huller igennem printkortet. (Billedkilde: Eaton)

4) SMAJExxH-seriens TVS-dioder i SMA-størrelse er unikke, fordi de er kvalificeret til de AEC-Q101-standarder, der kræves til anvendelse i bilindustrien. De har en impulstopeffekt på 400 watt (med en bølgeform på 10/1000 μs) og en hurtig responstid, der typisk er mindre end 1,0 ps fra 0 V til V_BR, sammen med en I_R på mindre end 1 μA over 10 volt.

Enhederne i denne familie spænder fra 5 til 440 volt med ensrettede og bidirektionale versioner for hver enhed og omfatter SMAJE22AH, som har en klemmespænding på 35,5 V med 11,3 A I_pp (figur 11). Alle enheder i serien er indkapslet i overflademonterede plastikhus, der måler 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (maksimum) og opfylder UL 94 V-0-brandklassificeringen (figur 11).

Figur 11: SMAJE22AH 35,5 V TVS-diode er kvalificeret til bilindustriens standarder som krævet af AEC-Q101; den bruger også plastemballage, der opfylder UL 94 V-0 brandklassificeringsstandarden. (Billedkilde: Eaton)

Konklusion

Elektriske transienter fra statisk elektricitet, motorstart eller lynnedslag i nærheden kan beskadige elektroniske systemer og deres komponenter. TVS-dioder reagerer på disse overspændinger næsten øjeblikkeligt og afleder den forbigående spænding og energi til jord, hvilket beskytter systemet. Som vist, tilbyder Eaton forskellige serier af TVS-dioder, hvor hver serie består af adskillige enheder, der er klassificeret til forskellige spændinger for at matche den forventede transientspændingsstørrelse, slutproduktbegrænsninger og lovmæssige mandater, samtidig med at de kun kræver nogle få kvadratmillimeter af printpladens areal.