Använd TVS-dioder för att göra kretsar robusta och bibehålla den elektriska integriteten

Snabba elektriska transienter (EFT) är en realitet som konstruktörer måste ta hänsyn till för att skydda sina kretsar, system och systemanvändare. Snabba elektriska transienter kan komma från många källor, inklusive vanliga elektrostatiska urladdningar (ESD) som på grund av en så enkel handling som att gå på en matta, starta en motor eller ett blixtnedslag orsakar en rippeleffekt. Alla produktgrupper, från batteridrivna bärbara enheter med låg spänning till motorsystem med hög effekt, kan påverkas negativt av transienter.

Effekten av snabba elektriska transienter kan variera från tillfälliga störningar och bristande funktion till långvarig försämring av prestanda och permanenta skador eller fel. Även om konstruktörer kan vidta åtgärder för att minska spänningstransienter, till exempel genom att använda antistatiska kapslingar, filtrering, spänningslåsning vid källan eller implementering av ytterligare jordning, behöver dessa åtgärder ofta revideras eller uppgraderas beroende på det specifika tillämpningsscenariot.

För att på ett tillförlitligt sätt minimera eller eliminera de skadliga konsekvenserna av transientspänningar kan konstruktörer använda passiva komponenter med två anslutningar, dioder som kallas för transientspänningsdämpare (TVS-dioder). Även om TVS-dioder i allmänhet betraktas som en öppen krets, reagerar de nästan omedelbart och efterliknar en kortslutning när den transienta händelsen inträffar, vilket avleder den transienta överspänningen till jord. TVS-dioder har ett snabbt gensvar, tål hög spänning, har lång livslängd och låg kapacitans.

Artikeln handlar om behovet av TVS-dioder och dess roll, typ och användningsområde, med exempel från olika produktserier och produkter från Eaton Corporation plc (Eaton).

Börja med IEC-standarderna

För att minska riskerna med snabba elektriska transienter har IEC (International Electrotechnical Commission) definierat tre internationellt erkända standarder för överspänningsskydd i IEC 61000-4 ("Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC): Provnings- och mätteknik"):

1) IEC 61000-4-2 omfattar elektrostatisk urladdningsimmunitet på systemnivå, vilket gäller elektrostatisk urladdning som orsakas av mänsklig kontakt (figur 1). För denna vågform är stigningstiden (tr) kort, 0,7 till 1 ns, och det mesta av energin försvinner under de första 30 ns, varefter den snabbt avtar. Därför krävs ett överspänningsskydd som agerar mycket snabbt för att kunna reagera på händelser med elektrostatiska urladdningar.

Figur 1: En typisk vågform för en elektrostatisk urladdningspuls som orsakas av mänsklig kontakt, har enligt IEC 61000-4-2 en mycket kort stigningstid på mindre än en nanosekund och den största delen av energin försvinner inom de första 30 ns. (Bildkälla: Eaton)

Enbart vågformen påvisar inte de tillhörande spänningsnivåerna. IEC 61000-4-2 specificerar testspänningar för elektrostatisk urladdningsimmunitet på systemnivå i olika utrustningar för kontakt- och lufturladdning (figur 2).

Figur 2: Nivåerna för luft- och kontakturladdning enligt IEC 61000-4-2 definierar de specifika egenskaperna för kontakt med människor ytterligare. (Bildkälla: Eaton)

Vilken TVS-diod som är lämplig beror på vilken nivå av skydd för elektrostatisk urladdning tillämpningen kräver. Observera att alla TVS-dioder från Eaton uppfyller minimikravet för nivå 4 när de testas enligt IEC 61000-4-2. Det finns andra alternativ med ännu bättre skydd för elektrostatisk urladdning, med ett skydd på upp till 30 kV vid både luft- och kontakturladdning .

2) IEC 61000-4-5 omfattar elektrisk överspänningsimmunitet, som t.ex. blixtnedslag eller omkoppling av kraftsystem. Till skillnad från statisk elektricitet med relativt låg effekt kan blixtnedslag innehålla upp till 1 GJ energi och leverera en överspänning på upp till 120 kV. Blixtinducerade transienter kan uppstå på grund av direkta blixtnedslag i elektriska kretsar utomhus som ger upphov till överspänningar, indirekta blixtnedslag som ger upphov till överspänningar i ledare eller jordströmmar från blixtnedslag. Notera att TVS-dioder för elektrostatisk urladdning inte är avsedda att skydda mot direkta blixtnedslag, men dämpare behövs ändå eftersom dessa nedslag kan skicka transienter genom elektriska distributionssystem 1,6 km eller längre.

IEC 61000-4-5 definierar en typisk vågform för ett blixtnedslag (figur 3).

Figur 3: Detta är den vågform för blixtnedslag som definieras enligt IEC 61000-4-5 (I_PP är toppström). (Bildkälla: Eaton)

Standarden IEC 61000-4-5 specificerar också testnivåer för överspänningsimmunitet i klasser med elektrisk/elektronisk utrustning (figur 4).

Nivåerna definieras av den slutgiltiga tillämpningen:

• Klass 1: Delvis skyddad miljö
• Klass 2: Elektrisk miljö där kablarna är väl separerade, även vid korta avstånd
• Klass 3: Elektrisk miljö där kraft- och signalkablar löper parallellt
• Klass 4: Elektrisk miljö med sammankopplingar för utomhuskablage tillsammans med kraftkablage och kablaget används för både elektroniska och elektriska kretsar

Figur 4: IEC 61000-4-5 specificerar fyra klasser av testnivåer för elektrisk överspänningsimmunitet. (Bildkälla: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 omfattar skydd för snabba elektriska transienter (figur 5). Snabba elektriska transienter orsakas av induktiva belastningar, som t.ex. slitstarka motorer, reläer, kontaktorer i kraftdistributionssystem och in- och urkoppling av utrustning för effektfaktorkorrigering.

Figur 5: Här visas en vågform för snabba elektriska transienter enligt IEC 61000-4-4. (Bildkälla: Eaton)

Notera att snabba elektriska transienter ofta kännetecknas av två sammankopplade tal; stigningstiden till toppvärdet (t₁) och pulsens längd till dess att transienten minskat till 50 % av toppvärdet (t₂). Transienten 8/20 µs är en vanligt förekommande puls i industriella tillämpningar.

Hur stor transientspänning för elektrostatiska urladdningar som en krets eller ett system måste tåla beror på tillämpningen. MIL-STD-883 har definierat tre klasser som används i stor utsträckning av industrin samt inom militära system och flyg- och rymdsystem (figur 6).

Figur 6: Det finns tre klassificeringsnivåer för känslighet för elektrostatiska urladdningar enligt MIL-STD-883 metod nummer 3015. (Bildkälla: Eaton)

Transientspänningsdämpare löser problemet

För att uppfylla olika krav och skydda sina system kan konstruktörer använda TVS-dioder. TVS-dioder är överspänningsskydd av kisel som fungerar enligt principen för diodens lavineffekt. De installeras parallellt med den normala kretsen för att skydda interna komponenter från kortvariga (transienta) och medelhöga/höga spänningar (figur 7).

Figur 7: TVS-dioden placeras över ingången, mellan den ledare som skall skyddas och systemets jord. (Bildkälla: Eaton)

Vid normal, icke-transient drift bibehåller TVS-dioder en hög impedans och stör inte ström- eller signalöverföringen genom utrustningen. Men, när en TVS-diod utsätts för en momentan puls av hög energi över sina anslutningar skyddar den de sekundära delarna av kretsen genom att snabbt övergå till ett tillstånd med låg impedans (kallas lavineffekt) för att absorbera den höga strömmen och låsa spänningen till en säker nivå.

TVS-dioder finns som enkelriktade eller dubbelriktade enheter med P-N-övergång. Trots namnen dämpar de flesta enkelriktade TVS-dioder spänningar i båda polaritetsriktningarna. Skillnaden är att enkelriktade dämpare har asymmetriska egenskaper för spänning-ström (V-I), medan dubbelriktade TVS-dioder har symmetriska egenskaper för V-I (figur 8). Dubbelriktade TVS-dioder är väl lämpade för att skydda elektriska noder som har dubbelriktade signaler eller signaler som är både över och under jordspänningen.

Figur 8: TVS-diodernas namn återspeglar inte någon inbyggd riktverkan. Istället har enkelriktade TVS-dioder asymmetriska egenskaper för spänning-ström (V-I), medan dubbelriktade TVS-dioder har symmetriska egenskaper för V-I. (Bildkälla: Eaton)

Förstklassiga parametrar, kapsling och placering definierar effektiviteten för en TVS-diod.

TVS-dioder definieras av många specifikationer på hög nivå. Bland dem finns:

• Nominell omvänd maximal arbetsspänning (V_RWM): Även kallad backbrytspänning. Detta är TVS-diodens maximala driftspänning när den är "AV"
• Genombrottssspänning (V_BR): Den spänning vid vilken en lavineffekt inträffar i en TVS-diod, vilket resulterar i låg impedans
• Omvänd läckström (I_R): Den ström som flyter genom en TVS-diod när den är spänningssatt i omvänd riktning
• Låsspänning (Vc): Spänningen över en TVS-diod vid pulsströmmens toppvärde (I_pp)
• Kapacitans: Ett mått på lagrad laddning, vanligtvis i pikofarad (pF), mellan ingångsstiftet och en annan referenspunkt (ofta jord), mäts normalt vid en signal på 1 MHz
• Toppström (I_pp): Skillnaden mellan vågformens maximala positiva och maximala negativa amplitud

Val av TVS-diod sker vanligtvis i fyra steg:

1. Välj en TVS-diod med en brytspänning som är högre än den normala driftspänningen
2. Kontrollera att den specificerade toppströmmen överstiger den förväntade toppströmmen och att TVS-dioden är specificerad för att hantera den effekt som krävs vid en transient händelse
3. Beräkna den maximala låsningsspänningen (V_CL) för den valda TVS-dioden
4. Kontrollera att beräkningen för V_CL är mindre än det angivna absoluta maxvärdet för det skyddade stiftet

TVS-diodens placering på kretskortet är avgörande för att man ska kunna utnyttja dess fulla potential. För bästa överspänningsskydd bör TVS-dioder placeras så nära spänningens inmatningspunkt som möjligt, som t.ex. I/O-portarna, för att minimera parasitär inverkan på den effektiva dämpningen av snabba transienta överspänningar.

Exempel på TVS-dioder som visar utbudet

TVS-dioder från Eaton är väl lämpade för överspänningsskydd i I/O-gränssnitt och digitala och analoga signalledningar med hög hastighet. De har mycket låg låsningsspänning, hög toppeffekt, hög strömavledning och svarstider i nanosekunder.

TVS-diodernas kapsling är nära kopplad till specifikationerna. De finns för både ytmontering och genomgående hål där den senare har högre spännings-/strömeffektivitet.

TVS-dioder måste skydda ett stort spännings- och strömområde. Därför kan ett värde på märkspänning och andra parametrar inte tillgodose alla situationer av snabba elektriska transienter. Exempel från fyra olika serier belyser dessa punkter.

1) Serien SMFE har en maximal pulseffekt på 200 W med en vågform på 10/1000 µs. Enheterna är inrymda i kapslingen SOD-123FL, en branschspecifik kapsling med låg profil för ytmontering med måtten 2 × 3 × 1,35 mm som optimerar kretskortsutrymmet i mobila och bärbara enheter.

En enhet i denna serie är SMFE5-0A (figur 9). Den har en låsningsspänning på 9,2 V, en I_pp på 21,7 A och stödjer enkelriktade eller dubbelriktade användningsfall. Den omvända läckströmmen är under 1 μA vid en drift på mer än 10 A och svarstiden är snabb, typiskt mindre än 1,0 ps (pikosekund) från 0 V till V_BR.

Figur 9: TVS-dioden SMFE5-0A med en låsningsspänning på 9,2 V levereras i kapslingen SOD-123FL, en kapsling med låg profil för ytmontering avsedd för mobila och bärbara tillämpningar. (Bildkälla: Eaton)

2) Serien ST skyddar en dubbelriktad I/O-linje och är avsedd för USB-portar och andra dataportar, pekplattor, knappar, likström, kontakter för RJ-45 och RF-antenner. Enheter ur denna serie, som t.ex. STS321120B301 med en låsningsspänning på 33 V och I_pp på 12 A, är inrymda i en liten SOD-323 SMT-kapsling med måtten 1,8 × 1,4 × 1,0 mm och har en maximal pulseffekt på 400 W per ledare (t_P = 8/20 μs). TVS-dioderna i denna serie stödjer en arbetsspänning mellan 2,8 V_DC och 70 V_DC och har mycket låg kapacitans, ned till 0,15 pF. TVS-dioderna skyddar mot elektrostatiska urladdningar på upp till 30 kV (enligt IEC 61000-4-2).

3) Serien AK består av TVS-dioder med hög effekt med skydd på upp till 10 000 A som är konstruerade för att klara tuffa testmiljöer för överspänning i tillämpningar för växel- och likström. TVS -dioderna har låg stigningsresistans och en överlägsen låsningsfaktor tack vare snapback-teknologin. De uppfyller standarden UL1449 för överspänningsskydd i tillämpningar som t.ex hemelektronik, apparater, industriell automation och fasskydd för växelström. (Obs! stigning eller dynamisk resistans är den resistans som TVS-dioden har när en växelspänning läggs på; snapback är en process där hög ström fortsätter att ledas även vid lägre spänningar).

För att klara strömstyrkan och kraven för UL använder enheterna i denna serie genomgående hål för axiella ledningar. Ett exempel är AK6E-066C, en transientspänningsdämpare med en låsningsspänning på 120 V och I_pp på 6 000 A (figur 10). Den är 25 mm lång med en nästan kvadratisk, "central", kropp med de ungefärliga måtten 13 × 15 mm.

Figur 10: TVS-dioden AK6E-066C för hög effekt med en låsningsspänning på 120 V tillhandahåller ett skydd på upp till 10 000 A och är inrymd i en kapsling med genomgående axiella ledningar. (Bildkälla: Eaton)

4) TVS-diodserien SMAJExxH i SMA-storlek är unika så tillvida att de uppfyller standarden AEC-Q101 för fordonstillämpningar. De tillhandahåller en maximal pulseffekt på 400 W (med en vågform på 10/1000 μs) och har en snabb svarstid som normalt är mindre än 1,0 ps från 0 V till V_BR, tillsammans med en I_R som är mindre än 1 μA vid mer än 10 V.

Enheterna i denna serie finns i utföranden för mellan 5 och 440 V, med enkelriktade och dubbelriktade versioner för varje enhet och inkluderar SMAJE22AH, som har en låsningsspänning på 35,5 V med I_pp på 11,3 A (figur 11). Alla enheter i serien är inrymda i ytmonterade plastkapslingar med måtten 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (max) och uppfyller brandklassningen UL 94 V-0 (figur 11).

Figur 11: TVS-dioden SMAJE22AH 35,5 V uppfyller fordonsstandarden AEC-Q101. Den använder även plastkapslingar som uppfyller brandstandarden UL 94 V-0. (Bildkälla: Eaton)

Sammanfattning

Elektriska transienter från statisk elektricitet, motorstart eller närliggande blixtnedslag kan skada elektroniksystem och deras komponenter. TVS-dioder reagerar nästan omedelbart på dessa överspänningar och avleder transient spänning och energi till jord, vilket skyddar systemet. Som framgår erbjuder Eaton olika serier av TVS-dioder, där varje serie består av flera enheter med olika spänningsvärden för att matcha den förväntade transientspänningens storlek, begränsningar hos slutprodukten och lagstadgade krav samtidigt som de endast behöver ett utrymme på några kvadratmillimeter på kretskortet.