Použití diod pro potlačení přechodových napětí ke zvýšení odolnosti obvodů a zachování elektrické integrity

Rychlá elektrická přechodová (EFT) napětí jsou realitou, se kterou musí konstruktéři počítat, aby ochránili své obvody, systémy a uživatele systémů. EFT mají mnoho zdrojů, včetně běžných elektrostatických výbojů (ESD) způsobených jednoduchými činnostmi, jako je chůze po koberci, spuštění motoru nebo úder blesku, který způsobí vlnový efekt. Tyto přechodové jevy mohou negativně ovlivnit všechny třídy výrobků, od nízkonapěťových nositelných zařízení napájených bateriemi až po systémy s výkonnými motory.

Účinky EFT se pohybují od dočasného narušení a neschopnosti provozu až po dlouhodobé snížení výkonu a naprosté trvalé poškození a selhání. Konstruktéři sice mohou podniknout kroky ke snížení přechodových napětí, jakými jsou např. použití antistatických krytů, filtrování, upínání u zdroje nebo zavedení dodatečného uzemnění, ale tato opatření je často třeba revidovat nebo modernizovat v závislosti na konkrétním druhu použití.

Pro spolehlivou minimalizaci nebo eliminaci škodlivých důsledků přechodových napětí mohou konstruktéři použít dvousvorkové pasivní součástky nazývané diody pro potlačení přechodových napětí (TVS) neboli transily. Ačkoli se na tyto diody obecně pohlíží jako na otevřený obvod, reagují téměř okamžitě a při výskytu přechodového jevu se podobají zkratu, čímž odvádějí přechodové přepětí na zem. TVS diody se vyznačují rychlou odezvou, odolností proti vysokému napětí, dlouhou životností a nízkou kapacitou.

Tento článek se bude zabývat potřebou, úlohou, typy a použitím TVS diod, a to na příkladech různých řad zařízení a zařízení od společnosti Eaton Corporation plc (Eaton).

Začalo to normami IEC

Pro zmírnění rizik spojených s EFT definovala Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) tři mezinárodně uznávané normy pro přepěťovou ochranu v rámci normy IEC 61000-4 („Elektromagnetická kompatibilita (EMC) - Zkušební a měřicí technika“):

1) IEC 61000-4-2 se zabývá odolností proti ESD na úrovni systému, která se vztahuje na ESD způsobené dotykem člověka (obrázek 1). U tohoto tvaru vlny je doba náběhu (tr) krátká 0,7 až 1 ns, přičemž většina energie se rozptýlí během prvních 30 ns, poté rychle klesá. Pro včasnou reakci na události ESD je proto nutná velmi rychle působící přepěťová ochrana.

Obrázek 1: Typický průběh impulzu ESD způsobeného dotykem člověka, jak jej charakterizuje norma IEC 61000-4-2, vykazuje velmi krátkou dobu náběhu kratší než jedna nanosekunda, přičemž většina energie se rozptýlí během prvních 30 ns. (Zdroj obrázku: Eaton)

Samotný průběh neoznačuje související úrovně napětí. Norma IEC 61000-4-2 specifikuje zkušební napětí pro odolnost proti ESD na systémové úrovni u různých zařízení pro kontaktní výboj a výboj vzduchem (obrázek 2).

Obrázek 2: Úrovně dle normy IEC 61000-4-2 pro výboj vzduchem a kontaktní výboj dále definují specifika pro dotyk člověka. (Zdroj obrázku: Eaton)

Vhodná volba TVS diody závisí na úrovni ochrany proti ESD, která se v dané aplikaci požaduje. Všimněte si, že všechny TVS diody společnosti Eaton nabízejí při testování podle normy IEC 61000-4-2 minimální výkonnostní úroveň 4. K dispozici jsou i další varianty s ještě vyšší odolností proti ESD, které poskytují až 30 kV pro výboj vzduchem i kontaktní výboj.

2) Norma IEC 61000-4-5 se zabývá odolností proti elektrickým přepětím, jako jsou přepětí způsobená bleskem nebo spínanými napájecími systémy. Na rozdíl od statické elektřiny s relativně malým výkonem mohou údery blesku obsahovat až 1 GJ energie a vydávat přepětí až 120 kV. K přechodovým jevům vyvolaným bleskem může dojít v důsledku přímého úderu blesku do venkovních elektrických obvodů, který vyvolá přepětí, nepřímého úderu blesku, který vyvolá přepětí ve vodičích, nebo v důsledku proudů bleskového zemního proudu. Všimněte si, že TVS tlumiče ESD nejsou určeny k ochraně před přímými údery blesku, ale jsou přesto potřebné, protože tyto údery mohou přenášet přechodové jevy do elektrických rozvodných systémů na vzdálenost 1 míle a více.

Norma IEC 61000-4-5 definuje typický průběh bleskového napětí (obrázek 3).

Obrázek 3: Jedná se o průběh bleskového impulzu definovaný normou IEC 61000-4-5 (I_PP je špičkový proud). (Zdroj obrázku: Eaton)

Norma IEC 61000-4-5 rovněž specifikuje zkušební úrovně napětí pro odolnost proti přepětí ve třídách elektrických/elektronických zařízení (obrázek 4).

Úrovně jsou definovány podle koncové aplikace:

• Třída 1: Částečně chráněné prostředí
• Třída 2: Elektrické prostředí, kde jsou kabely dobře odděleny, a to i na krátkých trasách
• Třída 3: Elektrické prostředí, kde jsou napájecí a signální kabely vedeny paralelně
• Třída 4: Elektrické prostředí, v němž jsou propojovací kabely vedeny jako venkovní kabely spolu se silovými kabely a kabely jsou použity pro elektronické i elektrické obvody.

Obrázek 4: Norma IEC 61000-4-5 definuje čtyři třídy zkušebních úrovní odolnosti proti elektrickému přepětí. (Zdroj obrázku: Eaton)

3) Norma IEC 61000-4-4 zahrnuje ochranu proti rychlým elektrickým přechodovým jevům (EFT) (obrázek 5). Rychlé elektrické přechodové jevy jsou způsobeny provozem induktivních zátěží, jako jsou motory s velkým výkonem, relé, spínací stykače v rozvodných systémech a zapínání nebo vypínání zařízení pro korekci účiníku.

Obrázek 5: Na obrázku je průběh impulzu EFT podle normy IEC 61000-4-4 (Zdroj obrázku: Eaton)

Všimněte si, že EFT jsou často charakterizovány jednoduše dvěma párovými čísly: dobou náběhu na špičkovou hodnotu (t₁) a trvání impulzu, dokud přechodový jev neklesne na 50 % špičkové hodnoty (t₂). Přechodový jev 8/20 µs je v průmyslových aplikacích běžným impulzem.

Velikost přechodového napětí ESD, kterému musí obvod nebo systém odolat, závisí na druhu použití. Tři třídy jsou definovány v normě MIL-STD-883, která se široce používá v průmyslu i ve vojenských a leteckých systémech (obrázek 6).

Obrázek 6: Existují tři úrovně klasifikace citlivosti na ESD podle metody MIL-STD-883 číslo 3015. (Zdroj obrázku: Eaton)

Problém řeší zařízení TVS

Aby konstruktéři splnili různé požadavky a ochránili své systémy, mohou použít TVS diody. TVS diody jsou křemíková zařízení na ochranu proti přepětí, která fungují na principu lavinového průrazu diody. Instalují se paralelně s normálním obvodem, aby chránily vnitřní součásti před krátkodobým (přechodovým) a středně vysokým / vysokým napětím (obrázek 7).

Obrázek 7: TVS dioda je umístěna na vstupu mezi chráněným vedením a zemí systému. (Zdroj obrázku: Eaton)

Při běžném, nepřechodovém provozu si TVS diody udržují vysokou impedanci a nenarušují přenos energie nebo signálu přes zařízení. Když však na svorkách TVS diody dojde k okamžitému vysokoenergetickému rázu, chrání navazující prvky obvodu tím, že rychle přejde do nízkoimpedančního stavu (tzv. lavinový průraz), aby absorbovala velký proud a omezila napětí na bezpečnou úroveň.

TVS diody jsou k dispozici jako jednosměrná nebo obousměrná zařízení s P-N přechodem. Navzdory názvům většina jednosměrných TVS diod potlačuje napětí v obou polaritách. Rozdíl je v tom, že jednosměrné typy mají asymetrické napěťově-proudové (VI) vlastnosti, kdežto obousměrné TVS diody mají symetrické VI vlastnosti (obrázek 8). Obousměrné TVS diody jsou vhodné pro ochranu elektrických uzlů se signály, které jsou obousměrné nebo jsou nad i pod napětím země.

Obrázek 8: Názvy TVS diod neodrážejí žádnou vlastní směrovost. Místo toho mají jednosměrné TVS diody asymetrické napěťově-proudové (V-I) vlastnosti, zatímco obousměrné diody mají symetrické V-I vlastnosti. (Zdroj obrázku: Eaton)

Výkon TVS určují špičkové parametry, balení a umístění

TVS diody jsou definovány mnoha specifikacemi na vysoké úrovni. Patří mezi ně:

• Nominální reverzní pracovní maximální napětí (V_RWM): Je to maximální pracovní napětí TVS diody, když je „vypnutá“.
• Průrazné napětí (V_BR): Napětí, při kterém dochází k lavinovému průrazu v TVS diodě, což vede k nízké impedanci.
• Zpětný svodový proud (I_R): Proud, který protéká TVS diodou, když je ve zpětném směru.
• Svorkové napětí (Vc): Napětí na diodě TVS při jejím špičkovém impulzním proudu (I_pp).
• Kapacitance: Měrná hodnota uloženého náboje, obvykle v pikofaradech (pF), mezi vstupním pinem a jiným referenčním bodem (často zemí), obvykle měřená signálem o frekvenci 1 MHz.
• Špičkový proud (I_pp): Rozdíl mezi maximální kladnou a maximální zápornou amplitudou průběhu proudu.

Výběr TVS diody se obvykle skládá ze čtyř kroků:

1. Výběr diody se zádržným napětím, které je vyšší než běžné provozní napětí.
2. Ověření, zda specifikovaný špičkový proud převyšuje očekávaný špičkový proud, a kontrola, zda je dioda specifikována tak, aby zvládla požadovaný výkon během přechodové události.
3. Výpočet maximálního svorkového napětí (V_CL) vybrané diody.
4. Potvrzení, že vypočtené V_CL je menší než specifikované absolutní maximální jmenovité napětí pro chráněný vývod.

Umístění TVS zařízení na desce plošných spojů je rozhodující pro plné využití schopností těchto zařízení. Pro dosažení nejlepší ochrany proti přepětí by diody měly být umístěny co nejblíže místu vstupu napětí, jako jsou porty vstupů/výstupů, aby se minimalizoval vliv parazitních proudů na účinné potlačení rychlých přechodových přepětí.

Příklady TVS ilustrují rozsah nabídky

TVS diody společnosti Eaton jsou vhodné pro ochranu proti přepětí v rozhraních I/O a vysokorychlostních digitálních a analogových signálových vedeních. Nabízejí velmi nízká svorková napětí, vysoký špičkový výkon, vysoký rozptylový proud a dobu odezvy v řádu nanosekund.

Se specifikacemi úzce souvisí balení TVS diod. K dispozici jsou jak pouzdra pro povrchovou montáž, tak i průchozí pouzdra, přičemž průchozí pouzdra nabízejí vyšší napěťový/proudový výkon.

TVS diody musí chránit proti širokému rozsahu napětí a proudů. Proto jedna hodnota jmenovitého napětí a další parametry nemohou vyhovět všem situacím EFT. Tyto body ilustrují příklady ze čtyř různých produktových řad.

1) Řada SMFE má špičkový pulzní výkon 200 W s průběhem 10/1000 µs. Zařízení jsou umístěna ve standardním nízkoprofilovém pouzdru pro povrchovou montáž SOD-123FL o rozměrech 2 × 3 × 1,35 mm, které optimalizuje prostor na desce pro mobilní a nositelná zařízení.

Jedním z členů této řady je SMFE5-0A (obrázek 9). Má svorkové napětí 9,2 V, I_pp 21,7 A a podporuje jednosměrné nebo obousměrné použití. Zpětný svodový proud je při provozu nad 10 V pod 1 μA a doba odezvy je rychlá, typicky kratší než 1,0 ps z 0 V na V_BR.

Obrázek 9: TVS dioda SMFE5-0A 9,2 V se dodává v nízkoprofilovém pouzdru pro povrchovou montáž SOD-123FL a je určena pro mobilní a nositelné aplikace. (Zdroj obrázku: Eaton)

2) Řada ST chrání jednu obousměrnou I/O linku a zaměřuje se na USB a další datové porty, dotykové panely, tlačítka, stejnosměrné napájení, konektory RJ-45 a rádiové antény. Členy této řady, jako je například I_pp STS321120B301 33 V, 12 A, jsou umístěny v malém pouzdře SOD-323 SMT o rozměrech 1,8 × 1,4 × 1,0 mm a mají špičkový impulzní výkon 400 W na linku (t_P = 8/20 μs). Diody této řady podporují pracovní napětí od 2,8 V DC (V_DC) do 70 V_DC s ultra nízkou kapacitancí až 0,15 pF. Tyto diody poskytují ochranu proti ESD až do 30 kV (podle normy IEC 61000-4-2).

3) Řada AK zahrnuje vysoce výkonné TVS diody s ochranou až 10 000 A a je určena pro náročné prostředí přepěťových zkoušek pro střídavé i stejnosměrné aplikace. Tyto diody se vyznačují nízkým gradientním odporem a také vynikajícím svorkovým činitelem díky technologii snapback. Splňují normy UL1449 pro zařízení na ochranu proti přepětí pro aplikace, jako je spotřební elektronika, spotřebiče, průmyslová automatizace ochrana vedení střídavého proudu. (Poznámka: gradientní neboli dynamický odpor je odpor, který dioda klade při použití střídavého napětí; snapback je proces zařízení, při kterém vedení velkých proudů pokračuje i při nižším napětí.)

Aby byly splněny požadavky na proud a požadavky UL, používají zařízení této řady průchozí pouzdra s osovými vývody, jaká se používají u diody AK6E-066C, svorky 120 V a diody I_pp 6 000 A (obrázek 10). Tato dioda měří podél vývodů 25 mm a její téměř čtvercové „centrální“ tělo má rozměry přibližně 13 × 15 mm.

Obrázek 10: Vysoce výkonná 120V TVS dioda AK6E-066C nabízí ochranu až 10 000 A a je uložena v průchozím pouzdře s osovými vývody. (Zdroj obrázku: Eaton)

4) Diody TVS řady SMAJExxH velikosti SMA jsou jedinečné tím, že splňují normy AEC-Q101 požadované pro použití v automobilovém průmyslu. Poskytují špičkový impulzní výkon 400 W (s průběhem 10/1000 μs) a mají krátkou dobu odezvy, která je obvykle kratší než 1,0 ps z 0 V na V_BR, spolu s proudem I_R menším než 1 μA při napětích nad 10 V.

Zařízení v této řadě zahrnují napětí od 5 do 440 V s jednosměrnými a obousměrnými verzemi pro každé zařízení a zahrnují SMAJE22AH, který má svorkové napětí 35,5 V s proudem I_pp 11,3 A (obrázek 11). Všechna zařízení této řady jsou umístěna v plastových pouzdrech pro povrchovou montáž o rozměrech 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (maximálně) a splňují stupeň hořlavosti UL 94 V-0 (obrázek 11).

Obrázek 11: 35,5V TVS dioda SMAJE22AH splňuje požadavky pro automobilový průmysl podle normy AEC-Q101; používá také plastový obal, který splňuje stupeň hořlavosti UL 94 V-0. (Zdroj obrázku: Eaton)

Závěr

Elektrické přechodové jevy způsobené statickou elektřinou, spouštěním motorů nebo blízkými blesky mohou poškodit elektronické systémy a jejich součásti. TVS diody reagují na tato přepětí téměř okamžitě a odvádějí přechodné napětí a energii na zem, čímž chrání systém. Jak je uvedeno, společnost Eaton nabízí různé řady TVS diod, přičemž každá řada obsahuje mnoho zařízení s různým jmenovitým napětím, aby odpovídala předpokládané velikosti přechodového napětí, omezením konečného výrobku a regulačním předpisům, přičemž vyžaduje pouze několik milimetrů čtverečních plochy na desce plošných spojů.