Käytä transienttijännitteen vaimennusdiodeja piirien luotettavuuden parantamiseen ja sähköjärjestelmän säilyttämiseen ehjänä

Suunnittelijoiden tulee ottaa nopeat transienttijännitteet (EFT) huomioon piirien, järjestelmien ja järjestelmien käyttäjien suojauksessa. Nopeille transienttijännitteille on monia syntymekanismeja, kuten tavallinen staattinen purkaus (ESD), joka voi aiheutua esimerkiksi vain matolla kävelystä, moottorin käynnistämisestä tai salamaniskun seurauksena. Näillä transienttijännitteillä voi olla haittavaikutuksia kaikissa tuoteluokissa matalajännitteisistä akkukäyttöisistä puettavista laitteista aina korkeatehoisiin moottorijärjestelmiin.

Nopeiden transienttijännitteiden vaikutukset vaihtelevat tilapäisistä häiriöistä ja toimintakyvyttömyydestä suorituskyvyn pitkäaikaiseen heikkenemiseen sekä suoranaisiin pysyviin vaurioihin ja vikoihin. Vaikka suunnittelijat voivat tehdä varotoimia transienttijännitteiden vähentämiseksi esimerkiksi käyttämällä antistaattista kotelointia, suodatusta, jännitteen rajoitusta virtalähteessä tai lisämaadoitusta, näitä keinoja on usein tarkistettava tai päivitettävä käyttökohteen mukaan.

Transienttijännitteiden haitallisten seurausten luotettavaan minimointiin tai poistamiseen voidaan käyttää kaksijalkaisia passiivisia komponentteja, joita kutsutaan ylijänniterajoittimiksi (TVS). Vaikka nämä diodit näkyvät tavallisesti avoimena piirinä, ne reagoivat lähes välittömästi ja toimivat transientin aikana oikosulun tapaan ohjaten transienttiylijännitteen maahan. TVS-diodit tarjoavat nopean vasteen, korkean jänniteluokituksen, pitkän käyttöiän ja alhaisen kapasitanssin.

Tässä artikkelissa tarkastellaan TVS-diodien tarvetta, roolia, tyyppejä ja käyttökohteita käyttämällä esimerkkeinä Eaton Corporation plc:n (Eaton) useita tuoteperheitä ja laitteita.

Alkuun IEC-standardeilla

Nopeiden transienttijännitteiden riskien vähentämiseksi International Electrotechnical Commission (IEC) on määrittänyt IEC 61000-4 ‑standardissa (”Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC): Testaus- ja mittaustekniikat”) kolme kansainvälisesti tunnustettua ylijännitesuojausstandardia:

1) IEC 61000-4-2 kattaa järjestelmätason ESD-häiriönsiedon, joka käsittää ihmisen kosketuksen aiheuttaman staattisen purkauksen (kuva 1). Tämän aaltomuodon nousuaika (tr) on lyhyt, 0,7–1 nanosekuntia (ns), ja suurin osa energiasta dissipoituu ensimmäisten 30 ns:n aikana, minkä jälkeen se vaimenee nopeasti. Siksi tarvitaan erittäin nopeatoiminen ylijännitesuojaus, jotta ESD-tapahtumiin voidaan reagoida ajoissa.

Kuva 1: Tyypillinen ihmisen kosketuksen aiheuttama ESD-pulssiaaltomuoto, joka kuvaillaan standardissa IEC 61000-4-2, näyttää hyvin lyhyen, alle nanosekunnin mittaisen nousuajan, ja suurin osa energiasta dissipoituu ensimmäisten 30 ns:n aikana. (Kuvan lähde: Eaton)

Pelkkä aaltomuoto ei kuitenkaan näytä tapauksen jännitetasoja. IEC 61000-4-2 määrittää testausjännitteet järjestelmätason ESD-häiriönsietoa varten eri laitteissa kosketus- ja ilmapurkausta varten (kuva 2).

Kuva 2: IEC 61000-4-2 -tasot ilma- ja kosketuspurkaukselle määrittävät edelleen ihmisen kosketuksen erityispiirteitä. (Kuvan lähde: Eaton)

Sopivan TVS-diodin valinta riippuu sovelluksessa vaadittavan ESD-suojauksen tasosta. Huomaa, että kaikki Eatonin TVS-diodit tarjoavat tason 4 minimisuorituskyvyn, kun ne testataan IEC 61000-4-2 -standardin mukaan. Saatavana on muita vaihtoehtoja, joissa on vieläkin korkeampi ESD-kestosuojaus, jopa 30 kilovolttia (kV) sekä ilma- että kosketuspurkausta vastaan.

2) IEC 61000-4-5 kattaa ukkosen ja hakkuriteholähteiden kaltaisten lähteiden aiheuttamien jännitepiikkien häiriönsiedon. Toisin kuin suhteellisen vähätehoinen staattinen sähkö, salamaniskut voivat sisältää jopa 1 gigajoulea (GJ) energiaa ja synnyttää jopa 120 kV:n ylijännitteen. Salaman aiheuttama transientti voi johtua suorasta salamaniskusta ulkona sijaitsevaan sähköpiiriin, josta aiheutuu ylijännite, epäsuorasta salamaniskusta, joka indusoi ylijännitteen johtimiin, tai salaman aiheuttamasta maavirrasta. Huomaa, että TVS ESD ‑vaimentimia ei ole tarkoitettu suojaamaan suorilta salamaniskuilta, mutta vaimentimia tarvitaan silti, koska nämä iskut voivat lähettää transientteja sähköjakelujärjestelmiin yli mailin etäisyydelle ja kauemmaksikin.

IEC 61000-4-5 määrittää tyypillisen salamaniskun jännitteen aaltomuodon (kuva 3).

Kuva 3: Tämä on IEC 61000-4-5 -standardin määrittämä salamapulssin aaltomuoto (I_PP on huippuvirta). (Kuvan lähde: Eaton)

IEC 61000-4-5 ‑standardissa määritetään myös sähkö-/elektroniikkalaiteluokkien ylijännitteen siedon testausjännitetasot (kuva 4).

Tasot riippuvat loppusovelluksesta:

• Luokka 1: Osittain suojattu ympäristö
• Luokka 2: Sähköympäristö, jossa kaapelit on erotettu hyvin, myös lyhyillä matkoilla
• Luokka 3: Sähköympäristö, jossa virta- ja signaalikaapelit kulkevat rinnakkain
• Luokka 4: Sähköympäristö, jossa yhdysjohdot kulkevat ulkokaapeleina virtakaapeleiden vieressä ja kaapeleita käytetään sekä elektroniikka- että sähköpiireissä

Kuva 4: IEC 61000-4-5 määrittää neljä testitasoluokkaa jännitepiikin sietoa varten. (Kuvan lähde: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 kattaa suojauksen nopeilta transienttijännitteiltä (kuva 5). Induktiiviset kuormat synnyttävät nopeita transienttijännitteitä, esimerkkinä raskaaseen käyttöön tarkoitetut moottorit ja releet, virranjakojärjestelmien kytkentäkontaktorien kytkentä sekä tehokertoimen korjauslaitteiden kytkeminen päälle tai pois.

Kuva 5: Kuvassa esitetään IEC 61000-4-4 -standardissa määritelty nopean transienttijännitteen pulssiaaltomuoto. (Kuvan lähde: Eaton)

Huomaa, että nopeita transienttijännitteitä kuvataan usein vain kahdella numerolla: niiden nousuaika huippuarvoon (t₁) ja pulssin kesto siihen asti, kunnes transienttijännite laskee 50 prosenttiin huippuarvosta (t₂). 8/20 mikrosekunnin (μs) transientti on yleinen pulssi teollisuussovelluksissa.

Sovellus määrää transienttijännitteen ESD-purkauksen suuruuden, joka piirin tai järjestelmän on kestettävä. MIL-STD-883, jota käytetään laajalti teollisuudessa sekä sotilas- ja ilmailujärjestelmissä, määrittelee kolme luokkaa (kuva 6).

Kuva 6: MIL-STD-883-metodi numero 3015 sisältää kolme ESD-herkkyysluokitusta. (Kuvan lähde: Eaton)

TVS-laitteet ratkaisevat ongelman

Suunnittelijat voivat käyttää TVS-diodeja erilaisten vaatimusten täyttämiseksi ja järjestelmien suojaamiseksi. TVS-diodit ovat piistä valmistettuja ylijännitesuojaimia, jotka toimivat diodin vyöryläpilyöntiperiaatteen mukaisesti. Ne asennetaan rinnan normaalin piirin kanssa suojaamaan sisäisiä komponentteja lyhytkestoiselta (transientti) ja keskisuurelta/korkealta jännitteeltä (kuva 7).

Kuva 7: TVS-diodi sijoitetaan tuloon suojattavan johtimen ja järjestelmän maan väliin. (Kuvan lähde: Eaton)

Normaalikäytössä (ei transienttia) TVS-diodien impedanssi on korkea eivätkä häiritse laitteen kautta kulkevaa virtaa eikä signaalia. Kun TVS-diodin liittimiin kohdistuu hetkellinen energialtaan korkea jännitepiikki, se suojaa diodin jälkeen sijaitsevia piirielementtejä siirtymällä nopeasti alhaisen impedanssin tilaan (jota kutsutaan vyörypurkaukseksi). Tämä absorboi suuren virran ja rajoittaa jännitteen turvalliselle tasolle.

TVS-diodeja on saatavana yksi- tai kaksisuuntaisina P-N-liitosta käyttävinä komponentteina. Nimestään huolimatta useimmat yksisuuntaiset TVS-diodit vaimentavat jännitteitä molemmassa suunnassa. Ero on siinä, että yksisuuntaisilla tyypeillä on epäsymmetriset jännite-virtaominaisuudet (V-I), kun taas kaksisuuntaisten TVS-diodien V-I-ominaisuudet ovat symmetriset (kuva 8). Kaksisuuntaiset TVS-diodit soveltuvat hyvin suojaamaan sähköelementtejä, joissa kulkee kaksisuuntaisia signaaleita tai jotka ovat sekä maajännitetason ylä- että alapuolella.

Kuva 8: TVS-diodien nimet eivät kuvasta luontaista suuntaisuutta. Sen sijaan yksisuuntaisilla TVS-diodeilla on epäsymmetriset jännite-virtaominaisuudet (V-I), kun taas kaksisuuntaisissa diodeissa on symmetriset V-I-ominaisuudet. (Kuvan lähde: Eaton)

Korkean tason parametrit, kotelointi ja sijoittelu määrittelevät TVS-diodin suorituskyvyn

TVS-diodit on määritelty useissa korkean tason spesifikaatioissa. Niitä ovat mm.:

• Nimellinen käänteinen maksimikäyttöjännite (V_RWM), jota kutsutaan myös käänteiseksi erotusjännitteeksi. Tämä on TVS-diodin korkein käyttöjännite, kun se ei johda
• Läpilyöntijännite (V_BR): jännite, jossa TVS-diodissa tapahtuu vyöryläpilyönti, mikä johtaa alhaiseen impedanssiin
• Käänteinen vuotovirta (I_R): virta, joka virtaa TVS-diodin läpi, kun se on estosuuntainen
• Rajoitusjännite (Vc): TVS-diodin jännite maksimilla pulssivirralla (I_pp)
• Kapasitanssi: mittaa tallennettua varausta, yleensä pikofaradeissa (pF), tulonastan ja toisen referenssipisteen (usein maadoitus/maa) välissä; mitataan yleensä 1 megahertsin (MHz) signaalilla
• Huippuvirta (I_pp): virran aaltomuodon suurimman positiivisen ja suurimman negatiivisen amplitudin välinen ero.

TVS-diodin valitseminen on yleensä nelivaiheinen prosessi:

1. Valitse diodi, jonka erotusjännite ylittää normaalin käyttöjännitteen.
2. Varmista, että määritetty huippuvirta ylittää odotetun huippuvirran, ja varmista, että diodi kykenee käsittelemään tarvittavan tehon transientin aikana.
3. Laske valitun diodin maksimirajoitusjännite (V_CL).
4. Varmista, että laskettu V_CL on pienempi kuin suojatulle nastalle määritetty absoluuttinen enimmäisarvo.

TVS-laitteen sijoittaminen piirilevylle on ratkaisevan tärkeää näiden laitteiden täyden suorituskyvyn kannalta. Parhaan ylijännitesuojauksen varmistamiseksi diodit on sijoitettava mahdollisimman lähelle jännitteen tulopistettä, kuten I/O-portteja, jotta loisvirtojen vaikutus nopeiden transienttien tehokkaaseen vaimennukseen voidaan minimoida.

Esimerkki-TVS-diodit kuvaavat valikoimaa

Eatonin TVS-diodit soveltuvat hyvin ylijännitesuojaukseen I/O-liitännöissä sekä nopeissa digitaalisissa ja analogisissa signaalijohtimissa. Ne tarjoavat erittäin alhaiset rajoitusjännitteet, korkean huipputehon, suuren virran dissipaation ja nanosekunneissa mitattavat vasteajat.

TVS-diodien kotelointi liittyy läheisesti niiden teknisiin spesifikaatioihin. Saatavana on sekä pintaliitos- että läpiasennettavia koteloita, joista jälkimmäinen tarjoaa korkeamman jännite-/virtasuorituskyvyn.

TVS-diodien on suojattava monenlaisilta jännitteiltä ja virroilta. Siksi yksi arvo jänniteluokituksessa ja muissa parametreissa ei voi täyttää kaikkien nopeiden transienttien tapauksia. Esimerkit neljästä eri tuoteperheestä havainnollistavat tätä.

1) SMFE-sarjan huippupulssiteho on 200 wattia 10/1000 μs:n aaltomuodolla. Komponentit käyttävät alan standardin mukaista matalaprofiilista SOD-123FL-pintaliitoskoteloa, jonka mitat ovat 2 × 3 × 1,35 mm, mikä optimoi piirilevyllä käytetyn tilan mobiileissa ja puettavissa laitteissa.

Yksi sarjan komponentti on SMFE5-0A (kuva 9). Siinä on 9,2 V:n rajoitusjännite sekä 21,7 ampeerin (A) I_pp, ja se tukee sekä yksisuuntaista että kaksisuuntaista käyttöä. Käänteisvuotovirta on alle 1 μA yli 10 V:n jännitteellä, ja vasteaika on nopea, tyypillisesti alle 1,0 pikosekuntia (ps) 0 voltista V_BR-arvoon.

Kuva 9: SMFE5-0A 9,2 V TVS ‑diodi käyttää matalaprofiilista SOD-123FL-pintaliitoskoteloa, ja se on suunniteltu mobiileja ja puettavia sovelluksia varten. (Kuvan lähde: Eaton)

2) ST-sarja suojaa yhtä kaksisuuntaista I/O-linjaa, ja se on suunniteltu USB- ja muita dataportteja, kosketuslevyjä, painikkeita, DC-teholähteitä, RJ-45-liittimiä ja RF-antenneja varten. Tämän tuoteperheen jäsenet, kuten 33 V:n ja 12 A I_pp:n STS321120B301, käyttävät pientä SOD-323 SMT ‑koteloa, jonka mitat ovat 1,8 × 1,4 × 1,0 mm, ja ne on luokiteltu 400 watin huippupulssiteholle linjaa kohti (t_P = 8/20 μs). Tämän sarjan diodit tukevat käyttöjännitteitä välillä 2,8 volttia DC (V_DC) ja 70 V_DC erittäin alhaisella kapasitanssilla (jopa vain 0,15 pF). Nämä diodit tarjoavat jopa 30 kV:n ESD-suojauksen (IEC 61000-4-2 -standardin mukaan).

3) AK-sarja sisältää huipputehokkaita TVS-diodeja, jotka tarjoavat jopa 10 000 A:n suojauksen. Ne on myös suunniteltu täyttämään vaativien ylijännitetestiympäristöiden vaatimukset AC- ja DC-sovelluksissa. Nämä diodit tarjoavat alhaisen kulmaresistanssin ja erinomaisen rajoituskertoimen snapback-tekniikan ansiosta. Ne täyttävät UL1449-ylijännitesuojauksen laitestandardit esimerkiksi kuluttajaelektroniikassa, kodinkoneissa, teollisuusautomaatiossa sekä vaihtovirtajohtimen suojauksessa. (Huomaa: kulmaresistanssin eli dynaaminen resistanssi on diodin resistanssi, kun siihen syötetään vaihtovirtajännite; snapback on laitteen tarjoama prosessi, jossa laite yhä johtaa korkeaa virtaa myös jännitteen laskiessa.)

Ampeeri- ja UL-vaatimusten täyttämiseksi tämän sarjan laitteissa käytetään läpiasennettavaa koteloa aksiaalisilla johtimilla, kuten AK6E-066C-diodi 120 V:n rajoituksella ja virtaluokituksella 6 000 A I_pp (kuva 10). Tämä diodi on 25 mm pitkä johtimet mukaan luettuna, ja sen lähes neliömäinen ”keskirunko” on mitoiltaan noin 13 × 15 mm.

Kuva 10: Korkeatehoinen 120 V:n AK6E-066C TVS ‑diodi tarjoaa jopa 10 000 A:n suojauksen, ja se on koteloitu läpiasennettavaan aksiaalijohdinkoteloon. (Kuvan lähde: Eaton)

4) SMAJExxH-sarjan SMA-kokoiset TVS-diodit ovat sikäli uniikkeja, että ne täyttävät autoteollisuuden sovelluksissa vaadittavat AEC-Q101-standardit. Ne tarjoavat 400 watin huippupulssitehon (aaltomuodolla 10/1000 μs), ja niiden nopea vasteaika on tyypillisesti alle 1,0 ps (0 V – V_BR) ja I_R alle 1 μA yli 10 voltin jännitteellä.

Tämän tuoteperheen laitteet kattavat 5–440 voltin jännitealueen, ja niistä on kustakin yksisuuntaiset ja kaksisuuntaiset versiot, esimerkkinä SMAJE22AH 35,5 V:n rajoitusjännitteellä ja 11,3 A:n I_pp-virralla (kuva 11). Kaikki sarjan laitteet käyttävät muovista pintaliitoskoteloa, jonka mitat ovat 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (enintään) ja joka täyttää UL 94 V-0 ‑syttyvyysluokituksen (kuva 11).

Kuva 11: 35,5 V:n SMAJE22AH-TVS-diodi täyttää autoteollisuuden AEC-Q101-standardin; se käyttää myös muovikoteloa, joka täyttää UL 94 V-0 ‑syttyvyysluokituksen vaatimukset. (Kuvan lähde: Eaton)

Yhteenveto

Staattisen sähkön, moottorin käynnistyksen tai lähelle iskevän salaman aiheuttamat sähköiset transientit voivat vahingoittaa elektronisia järjestelmiä ja niiden komponentteja. TVS-diodit reagoivat näihin ylijännitteisiin lähes välittömästi ja siirtävät transienttijännitteen ja energian maahan, mikä suojaa järjestelmää. Kuten artikkelissa osoitetaan, Eaton tarjoaa monia erilaisia TVS-diodisarjoja, joista jokainen koostuu lukuisista eri jännitteille luokitelluista komponenteista, jotka vastaavat odotettua transienttijännitteen suuruusluokkaa, lopputuotteen rajoitteita ja lakisääteisiä vaatimuksia samalla kun ne tarvitsevat vain muutaman neliömillimetrin piirilevyn pinta-alasta.