Gebruik spanningsonderdrukkingsdiodes om circuits robuust te maken en de elektrische integriteit te behouden

Snelle elektrische spanningen (EFT) zijn een realiteit waar ontwerpers rekening mee moeten houden om hun circuits, systemen en systeemgebruikers te beschermen. EFT's hebben vele bronnen, waaronder gewone elektrostatische ontlading (ESD) als gevolg van een eenvoudige handeling zoals over een tapijt lopen, een motor starten of een blikseminslag die een rimpeleffect veroorzaakt. Deze transiënten kunnen nadelige gevolgen hebben voor elke productklasse, van wearables met een laag voltage op batterijen tot motorsystemen met een hoog vermogen.

De effecten van EFT's variëren van tijdelijke verstoring en onvermogen om te functioneren tot langdurige prestatievermindering en regelrechte permanente schade en uitval. Hoewel ontwerpers stappen kunnen ondernemen om spanningstransiënten te verminderen, zoals het gebruik van antistatische behuizingen, filtering, klemmen bij de bron of het implementeren van extra aarding, moeten deze maatregelen vaak worden herzien of geüpgraded afhankelijk van het specifieke toepassingsscenario.

Om de schadelijke gevolgen van transiënte spanningen betrouwbaar te minimaliseren of te elimineren, kunnen ontwerpers passieve componenten met twee terminals gebruiken, TVS-diodes (Transient Voltage Suppression) genaamd. Hoewel deze diodes over het algemeen worden gezien als een open circuit, reageren ze bijna onmiddellijk en lijken ze op een kortsluiting wanneer de voorbijgaande gebeurtenis plaatsvindt, waardoor de voorbijgaande overspanning wordt omgeleid naar aarde. TVS-diodes reageren snel, zijn bestand tegen hoge spanningen, hebben een lange levensduur en een lage capaciteit.

In dit artikel wordt ingegaan op de noodzaak, de rol, de typen en de toepassing van TVS-diodes, waarbij verschillende productfamilies en apparaten van Eaton Corporation plc (Eaton) als voorbeeld worden gebruikt.

Begin met IEC-normen

Om de risico's van EFT's te beperken, heeft de International Electrotechnical Commission (IEC) (IEC) drie internationaal erkende normen voor overspanningsbeveiliging gedefinieerd binnen IEC 61000-4 ("Electromagnetic compatibility (EMC): Test- en meettechnieken"):

1) IEC 61000-4-2 behandelt ESD-immuniteit op systeemniveau, die van toepassing is op ESD veroorzaakt door menselijk contact (Afbeelding 1). Voor deze golfvorm is de stijgtijd (tr) kort met 0,7 tot 1 nanoseconde (ns), waarbij het grootste deel van de energie in de eerste 30 ns verdwijnt, waarna het snel afneemt. Daarom is een zeer snel reagerende overspanningsbeveiliging nodig voor een tijdige reactie op ESD-gebeurtenissen.

Afbeelding 1: Een typische ESD-pulsgolfvorm als gevolg van menselijk contact, zoals gekarakteriseerd door IEC 61000-4-2, vertoont een zeer korte stijgtijd van minder dan een nanoseconde, waarbij de meeste energie binnen de eerste 30 ns wordt gedissipeerd. (Bron afbeelding: Eaton)

De golfvorm alleen geeft niet de bijbehorende spanningsniveaus aan. IEC 61000-4-2 specificeert testspanningen voor ESD-immuniteit op systeemniveau in verschillende apparatuur voor contact- en luchtontlading (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De IEC 61000-4-2-niveaus voor lucht- en contactontlading definiëren verder de specifieke eigenschappen voor contact met mensen. (Bron afbeelding: Eaton)

De juiste keuze van een TVS-diode hangt af van het niveau van ESD-bescherming dat vereist is in een toepassing. Merk op dat alle TVS-diodes van Eaton bij tests volgens IEC 61000-4-2 minimaal prestatieniveau 4 bieden. Andere opties zijn verkrijgbaar met een nog hogere ESD-bescherming, tot 30 kilovolt (kV) voor zowel lucht- als contactontlading.

2) IEC 61000-4-5 heeft betrekking op immuniteit tegen elektrische pieken, zoals die van bliksem of van schakelende voedingssystemen. In tegenstelling tot statische elektriciteit met een relatief laag vermogen, kunnen blikseminslagen tot 1 gigajoule (GJ) aan energie bevatten en tot 120 kV piekspanning leveren. Transiënten veroorzaakt door blikseminslag kunnen voorkomen door directe blikseminslag op elektrische circuits in de buitenlucht die piekspanningen veroorzaakt, indirecte blikseminslag die piekspanningen veroorzaakt in geleiders, of bliksemafleiderstromen. Merk op dat TVS ESD-onderdrukkers niet bedoeld zijn om te beschermen tegen directe blikseminslagen, maar onderdrukkers zijn nog steeds nodig omdat deze inslagen transiënten door elektrische distributiesystemen kunnen sturen over afstanden van 1 mijl of meer.

IEC 61000-4-5 definieert een typische bliksemspanningsgolfvorm (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Dit is de bliksemgolfvorm gedefinieerd door IEC 61000-4-5 (_IPP is piekstroom). (Bron afbeelding: Eaton)

De IEC 61000-4-5-norm specificeert ook testspanningsniveaus voor overspanningsimmuniteit in klassen van elektrische/elektronische apparatuur (afbeelding 4).

De niveaus worden gedefinieerd door de eindtoepassing:

• Klasse 1: Gedeeltelijk beschermde omgeving
• Klasse 2: Elektrische omgeving waar kabels goed gescheiden zijn, zelfs bij korte afstanden
• Klasse 3: Elektrische omgeving waarin voedings- en signaalkabels parallel lopen
• Klasse 4: Elektrische omgeving met interconnecties die als buitenkabels samen met stroomkabels lopen, en de kabels worden gebruikt voor zowel elektronische als elektrische circuits.

Afbeelding 4: IEC 61000-4-5 definieert vier klassen van testniveaus voor elektrische overspanningsimmuniteit. (Bron afbeelding: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 heeft betrekking op bescherming voor EFT's (Afbeelding 5). EFT's worden veroorzaakt door de werking van inductieve belastingen, zoals zware motors, relais, schakelende schakelaars in stroomdistributiesystemen en het in- of uitschakelen van apparatuur voor correctie van de arbeidsfactor.

Afbeelding 5: Weergegeven is de EFT-pulsgolfvorm zoals gekarakteriseerd door IEC 61000-4-4. (Bron afbeelding: Eaton)

Merk op dat EFT's vaak eenvoudigweg gekarakteriseerd worden door twee getallen: de stijgtijd tot de piekwaarde (t₁) en de pulsduur tot de transiënt daalt tot 50% van de piekwaarde (t₂). De 8/20 microseconde (µs) transiënt is een veel voorkomende puls in industriële toepassingen.

De grootte van ESD-overgangsspanningen die een circuit of systeem moet weerstaan, hangt af van de toepassing. Drie klassen worden gedefinieerd door MIL-STD-883, dat veel gebruikt wordt door de industrie en militaire en ruimtevaartsystemen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Er zijn drie niveaus van ESD-gevoeligheidsclassificaties volgens MIL-STD-883 methode nummer 3015. (Bron afbeelding: Eaton)

TVS-apparaten lossen het probleem op

Om aan verschillende eisen te voldoen en hun systemen te beschermen, kunnen ontwerpers TVS-diodes gebruiken. TVS-diodes zijn silicium overspanningsbeveiligingen die werken volgens het principe van de lawineafbraak van de diode. Ze worden parallel met het normale circuit geïnstalleerd om interne componenten te beschermen tegen kortstondige (transiënte) en gemiddelde/hoge spanningen (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De TVS-diode wordt over de ingang geplaatst, tussen de te beschermen lijn en de systeemaarde. (Bron afbeelding: Eaton)

In normale, niet-transient werking, behouden TVS-diodes een hoge impedantie en verstoren ze de stroom- of signaaloverdracht door apparatuur niet. Wanneer een TVS-diode echter een ogenblikkelijke, hoogenergetische schok over zijn aansluitklemmen krijgt, beschermt hij stroomafwaartse circuitelementen door snel over te schakelen naar een toestand met lage impedantie (lawinedoorslag genoemd) om de grote stroom te absorberen en de spanning af te klemmen tot een veilig niveau.

TVS-diodes zijn verkrijgbaar als unidirectionele of bidirectionele P-N junction apparaten. Ondanks de namen onderdrukken de meeste unidirectionele TVS-diodes spanningen in beide polariteiten. Het verschil is dat unidirectionele types asymmetrische spanning-stroom (V-I) eigenschappen hebben, terwijl bidirectionele TVS-diodes symmetrische V-I eigenschappen hebben (Afbeelding 8). Bidirectionele TVS-diodes zijn zeer geschikt voor het beschermen van elektrische knooppunten met signalen die bidirectioneel zijn of zowel boven als onder de grondspanning liggen.

Afbeelding 8: De namen van TVS-diodes weerspiegelen geen inherente richtinggevoeligheid. In plaats daarvan hebben unidirectionele TVS-diodes asymmetrische spanning-stroom (V-I) eigenschappen, terwijl bidirectionele diodes symmetrische V-I eigenschappen hebben. (Bron afbeelding: Eaton)

Topklasse parameters, verpakking en plaatsing bepalen de prestaties van TVS

TVS-diodes worden gedefinieerd door vele high-level specificaties. Onder hen zijn:

• Nominale maximale omgekeerde werkspanning (V_RWM): Dit is de maximale werkspanning van een TVS-diode wanneer deze "UIT" staat.
• Doorslagspanning (V_BR): De spanning waarbij lawineafbraak optreedt in een TVS-diode, wat resulteert in een lage impedantie.
• Omgekeerde lekstroom (I_R): De stroom die door een TVS-diode loopt wanneer deze in sperrichting geschakeld is.
• Klemspanning (Vc): De spanning over een TVS-diode bij de piekwaarde van de pulsstroom (I_pp).
• Capaciteit: Een maat voor de opgeslagen lading, meestal in picofarads (pF), tussen de ingangspen en een ander referentiepunt (vaak aarde/aarde), meestal gemeten met een signaal van 1 megahertz (MHz).
• Piekstroom (I_pp): Het verschil tussen de maximale positieve en negatieve amplitudes van een stroomgolfvorm.

Het selecteren van een TVS-diode gebeurt meestal in vier stappen:

1. Selecteer een diode met een standoff-spanning die hoger is dan de normale bedrijfsspanning
2. Controleer of de gespecificeerde piekstroom hoger is dan de verwachte piekstroom en zorg ervoor dat de diode gespecificeerd is om het vereiste vermogen tijdens een kortstondige gebeurtenis aan te kunnen.
3. Bereken de maximale klemspanning (V_CL) van de geselecteerde diode
4. Controleer of de berekende V_CL lager is dan de opgegeven absolute maximumwaarde voor de beveiligde pin.

De plaatsing van TVS-apparaten op de printplaat is cruciaal om de volledige prestatiemogelijkheden van deze apparaten te realiseren. Voor de beste overspanningsbeveiliging moeten de diodes zo dicht mogelijk bij het ingangspunt van de spanning worden geplaatst, zoals de I/O-poorten, om de invloed van parasieten op de effectieve onderdrukking van snelle overspanningen te minimaliseren.

Voorbeeld-TV's illustreren het aanbod

Eatons TVS-dioden zijn zeer geschikt voor overspanningsbeveiliging in I/O-interfaces en snelle digitale en analoge signaallijnen. Ze bieden zeer lage klemspanningen, een hoog piekvermogen, een hoge stroomdissipatie en reactietijden van nanoseconden.

De verpakking van TVS-diodes hangt nauw samen met de specificaties. Zowel opbouw- als door-gatpakketten zijn beschikbaar, waarbij de laatste een hogere spanning/stroom bieden.

TVS-diodes moeten bescherming bieden tegen een groot aantal spanningen en stromen. Daarom kan één waarde voor de spanningswaarde en andere parameters niet voldoen aan alle EFT-situaties. Voorbeelden uit vier verschillende families illustreren deze punten.

1) De SMFE-serie heeft een piekpulsvermogen van 200 watt met een golfvorm van 10/1000 µs. De apparaten zitten in een industriestandaard low-profile SOD-123FL opbouwpakket van 2 × 3 × 1,35 millimeter (mm) dat de ruimte op de printplaat optimaliseert voor mobiele en draagbare apparaten.

Een lid van deze serie is de SMFE5-0A (Afbeelding 9). Hij heeft een klemspanning van 9,2 V, een _Ipp van 21,7 ampère (A) en ondersteunt unidirectioneel of bidirectioneel gebruik. De omgekeerde lekstroom is minder dan 1 μA boven 10 V en de responstijd is snel, meestal minder dan 1,0 picoseconde (ps) van 0 volt tot V_BR.

Afbeelding 9: De SMFE5-0A 9,2 V TVS-diode wordt geleverd in een low-profile SOD-123FL opbouwpakket en is bedoeld voor mobiele en draagbare toepassingen. (Afbeeldingsbron: Eaton)

2) De ST-serie beschermt één bidirectionele I/O-lijn en richt zich op USB- en andere gegevenspoorten, touchpads, knoppen, gelijkstroomvoeding, RJ-45-connectors en RF-antennes. Leden van deze familie, zoals de 33 volt, 12 A _Ipp STS321120B301, zitten in een piepklein SOD-323 SMT-pakket van 1,8 × 1,4 × 1,0 mm en zijn berekend op 400 watt piekpulsvermogen per lijn (t_P = 8/20 μs). Diodes in deze serie ondersteunen werkspanningen van 2,8 volt DC (V_DC) tot 70 V_DC met ultralage capaciteiten tot 0,15 pF. Deze diodes bieden ESD-bescherming tot 30 kV (volgens IEC 61000-4-2).

3) De AK-serie bestaat uit TVS-diodes met een hoog vermogen tot 10.000 A bescherming en is ontworpen om te voldoen aan strenge overspanningstestomgevingen voor AC- en DC-toepassingen. Deze diodes hebben een lage hellingsweerstand en een superieure klemfactor dankzij de snapbacktechnologie. Ze voldoen aan de UL1449-normen voor overspanningsbeveiliging voor toepassingen zoals consumentenelektronica, apparaten, industriële automatisering of AC-lijnbeveiliging. (Opmerking: helling of dynamische weerstand is de weerstand die de diode biedt wanneer een wisselspanning wordt toegepast; snapback is een apparaatproces waarbij geleiding van grote stromen doorgaat, zelfs bij lagere spanningen).

Om aan de stroomsterkte- en UL-vereisten te voldoen, gebruiken de apparaten in deze serie een doorlopende axiale-loodverpakking zoals gebruikt bij de AK6E-066C, een 120 V klem en een 6000 A I_pp-diode (Afbeelding 10). Deze diode meet 25 mm langs de draden, met een bijna vierkant "centraal" lichaam van ongeveer 13 × 15 mm.

Afbeelding 10: De AK6E-066C 120 V TVS-diode met hoog vermogen biedt bescherming tot 10.000 A en zit in een axiale doorvoergatverpakking. (Bron afbeelding: Eaton)

4) De SMAJExxH-serie SMA-formaat TVS-diodes zijn uniek omdat ze voldoen aan de AEC-Q101-normen die vereist zijn voor automobieltoepassingen. Ze leveren 400 watt piekpulsvermogen (met een golfvorm van 10/1000 μs) en hebben een snelle responstijd die doorgaans minder dan 1,0 ps is van 0 V tot _VBR, samen met een I_R van minder dan minder dan 1 μA boven 10 volt.

Apparaten in deze familie variëren van 5 tot 440 volt met unidirectionele en bidirectionele versies voor elk apparaat en omvatten de SMAJE22AH, die een klemspanning van 35,5 V met 11,3 A I_pp biedt (Afbeelding 11). Alle apparaten in de serie zitten in kunststof opbouwpakketten van 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (maximaal) en voldoen aan de brandbaarheidsclassificatie UL 94 V-0 (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: De SMAJE22AH 35,5 V TVS-diode voldoet aan de automobielnormen van AEC-Q101. De kunststof verpakking voldoet aan de UL 94 V-0 brandbaarheidsnorm. (Bron afbeelding: Eaton)

Conclusie

Elektrische stroomstoten door statische elektriciteit, het opstarten van motors of bliksem in de buurt kunnen elektronische systemen en hun onderdelen beschadigen. TVS-diodes reageren bijna onmiddellijk op deze overspanningen en leiden de voorbijgaande spanning en energie om naar aarde, waardoor het systeem wordt beschermd. Zoals te zien is, biedt Eaton verschillende series TVS-diodes, waarbij elke serie bestaat uit een groot aantal apparaten met verschillende spanningen om te voldoen aan de verwachte transiënte spanningsomvang, de beperkingen van het eindproduct en de wettelijke vereisten, terwijl slechts een paar vierkante millimeter printplaatoppervlak nodig is.