Что такое TVS диоды и как они работают. Какие бывают типы TVS диодов. Для чего применяются TVS диоды в электронных схемах. Как выбрать подходящий TVS диод для защиты устройства. Каковы основные параметры и характеристики TVS диодов.
Что такое TVS диоды и зачем они нужны
TVS диоды (Transient Voltage Suppressor) — это специальные полупроводниковые приборы, предназначенные для защиты электронных устройств от кратковременных скачков напряжения и электростатических разрядов. Они способны поглощать значительную энергию импульсных помех, предохраняя чувствительные компоненты схемы от повреждения.
Основные задачи TVS диодов:
- Ограничение амплитуды импульсных перенапряжений
- Защита от электростатических разрядов (ESD)
- Подавление переходных процессов в цепях питания и сигнальных линиях
- Повышение надежности и помехоустойчивости электронной аппаратуры
TVS диоды включаются параллельно защищаемой цепи и в нормальном режиме практически не влияют на ее работу. При возникновении импульса перенапряжения диод переходит в режим лавинного пробоя, шунтируя избыточную энергию на землю.
Принцип работы и основные характеристики TVS диодов
Как работают TVS диоды для подавления переходных процессов? Их принцип действия основан на лавинном пробое p-n перехода. В нормальном состоянии диод закрыт и имеет высокое сопротивление. При превышении напряжения пробоя происходит резкое снижение сопротивления, и избыточный ток отводится через диод.
Основные параметры TVS диодов:
- Рабочее напряжение (VWM) — максимальное напряжение, при котором диод остается закрытым
- Напряжение пробоя (VBR) — напряжение, при котором начинается лавинный пробой
- Напряжение фиксации (VC) — максимальное напряжение на диоде при протекании импульсного тока
- Пиковая мощность рассеивания (PPPM) — максимальная энергия импульса, которую способен поглотить диод
- Время срабатывания — единицы наносекунд
Чем отличаются TVS диоды от обычных стабилитронов? TVS диоды оптимизированы для работы с мощными импульсными помехами и имеют более низкое динамическое сопротивление в области пробоя.
Типы и разновидности TVS диодов
По конструкции и характеристикам TVS диоды можно разделить на несколько основных типов:
1. Однонаправленные и двунаправленные
Однонаправленные TVS диоды защищают от импульсов только одной полярности. Двунаправленные работают с сигналами обеих полярностей и состоят из двух встречно включенных p-n переходов.
2. Одиночные и многоканальные
Одиночные диоды защищают одну линию. Многоканальные сборки содержат несколько TVS диодов в одном корпусе для защиты нескольких сигнальных линий.
3. Маломощные и силовые
Маломощные TVS диоды применяются для защиты низковольтных интерфейсов. Силовые рассчитаны на большие импульсные токи и используются в силовой электронике.
4. Дискретные и интегральные
Дискретные TVS диоды выпускаются в виде отдельных компонентов. Интегральные TVS диоды и сборки встраиваются непосредственно в микросхемы.
Области применения и выбор TVS диодов
TVS диоды широко используются для защиты различной электронной аппаратуры:
- Компьютерная и телекоммуникационная техника
- Промышленная автоматика и измерительное оборудование
- Автомобильная электроника
- Потребительская электроника
- Медицинское оборудование
Как правильно выбрать TVS диод для конкретного применения? При выборе необходимо учитывать следующие факторы:
- Рабочее напряжение защищаемой цепи
- Амплитуду и энергию ожидаемых импульсных помех
- Допустимое остаточное напряжение
- Емкость диода и ее влияние на быстродействие
- Температурный диапазон эксплуатации
Рабочее напряжение TVS диода должно быть выше максимального рабочего напряжения схемы. Напряжение фиксации выбирается ниже максимально допустимого напряжения защищаемых компонентов.
Преимущества и недостатки TVS диодов
Каковы основные достоинства и ограничения TVS диодов по сравнению с другими методами защиты от перенапряжений?
Преимущества:
- Очень малое время срабатывания (единицы наносекунд)
- Способность поглощать значительную энергию
- Автоматическое восстановление после срабатывания
- Не требуют обслуживания
- Компактные размеры
Недостатки:
- Относительно высокая стоимость
- Паразитная емкость может влиять на быстродействие
- Ограниченная мощность рассеивания
- Чувствительность к перегреву при длительных перегрузках
Несмотря на некоторые ограничения, TVS диоды остаются одним из наиболее эффективных средств защиты электронных устройств от импульсных перенапряжений.
Особенности применения TVS диодов в современной электронике
Как правильно использовать TVS диоды в современных электронных устройствах? Существует несколько важных моментов:
- TVS диоды следует располагать максимально близко к защищаемым компонентам
- Для защиты высокоскоростных линий применяют низкоемкостные TVS диоды
- В цепях питания часто используют комбинацию TVS диода и варистора
- Для защиты дифференциальных линий применяют специальные TVS сборки
- В многоканальных интерфейсах используют многоканальные TVS массивы
Важно правильно рассчитать тепловой режим работы TVS диода и обеспечить эффективный отвод тепла при частых срабатываниях.
Новые разработки и перспективы развития TVS диодов
Каковы основные тенденции в развитии технологии TVS диодов? Можно выделить следующие направления:
- Уменьшение паразитной емкости для защиты сверхбыстрых интерфейсов
- Повышение уровня рассеиваемой мощности
- Разработка TVS диодов для защиты силовых полупроводниковых приборов
- Интеграция TVS защиты непосредственно в микросхемы
- Создание «умных» TVS диодов с функцией самодиагностики
Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные TVS диоды, обеспечивающие надежную защиту современной электроники от электрических перегрузок.
Миниатюрные TVS диоды для защиты от электростатического разряда от TDK/EPCOS
13.08.2021
В начале 2021 года компания TDK/EPCOS представила новинку – новый класс защитных компонентов от электростатического разряда (electrostatic discharge, ESD) – TVS диоды (transient voltage suppressor). TVS диоды представляют собой отдельный класс полупроводниковых приборов двунаправленного действия, предназначенных для ограничения скачков напряжения на уровне напряжения фиксации (clamping voltage).
Принцип действия TVS диода
TVS диод имеет следующие характеристики:
- Обратное рабочее напряжение (Reverse Working Voltage, VRWM) – максимальное рабочее напряжение постоянного тока. При этом напряжении диод закрыт, и действует как высокоомное сопротивление (емкость).
- Напряжение пробоя (Breakdown Voltage, VBR) – это уровень напряжения, при котором диод начинает проводить значительный ток (режим лавинного пробоя) и происходит отсечение приложенного напряжения, то есть диод начинает работать как низкоомное сопротивление.
- Пиковый импульсный ток (Peak pulse current, IPP) – это максимальный импульсный ток, который может протекать, для конкретного диода.
- Максимальное напряжение фиксации (Maximum clamping voltage, VC) – максимальное падение напряжения на диоде при IPP.
- Обратный ток утечки (Reverse leakage current, IR) – это ток, измеряемый при VRWM.
Вольт-амперная характеристика TVS диода
В настоящее время можно выделить три применяемых способа защиты от электростатического разряда (ESD) – это применение варистора (multi-layer varistor, MLV clamping), собственная встроенная защита микросхем (IC self-protection) и защитные TVS диоды.
Защита от электростатического разряда
Отличительными особенностями TVS диодов являются – низкое напряжение фиксации (clamping Voltage) и очень низкая паразитная емкость, что позволяет их применять для защиты в интерфейсах с ультравысокими скоростями передачи данных – USB стандартов 3.
Среди новинок TVS диодов от TDK/EPCOS есть две разновидности: GP type (general purpose) – TVS диоды общего назначения, к ним относятся B74121G0050M060 с емкостью 12 пФ и B74111G0050M060 с емкостью порядка 5 пФ; и UCL (ultra low cap) – TVS диоды B74121U0033M060 (емкость 0.65 пФ) и B74111U0033M060 с емкостью 0.48 пФ.
TVS диоды общего назначения (GP type) имеют типовое рабочее напряжение (VRWM) 5 В и напряжение пробоя (VBR) 6.8 В. Напряжение фиксации (VC) 7.2 В при пиковом импульсном токе (IPP) 8 А или 8 В при пиковом импульсном токе 16 А (для B74121G0050M060), и напряжение фиксации (VC) 7.6 В при пиковом импульсном токе (IPP) 8 А или 8.9 В при пиковом импульсном токе 16 А (для B74111G0050M060).
TVS диоды ультра малой емкости (UCL) имеют типовое рабочее напряжение (VRWM) 3.3 В и напряжение пробоя (VBR) 6.3 В. Напряжение фиксации (VC) 3.9 В при пиковом импульсном токе (IPP) 8 А или 5.
Также к дополнительным плюсам TVS диодов можно отнести малое время отклика и низкий ток утечки (IR) порядка 2 нА при напряжении 3.3 В для диодов GP типа, и порядка 1 нА при напряжении 3.3 В для диодов UCL типа. TVS диоды компании TDK/EPCOS выпускаются в корпусах 0201 case (0603 в метрической системе) толщиной 150 мкм, и 01005 case (0402 в метрической системе) толщиной 100 мкм, то есть обладают ультрамалыми размерами и являются одними из самых миниатюрных полупроводниковых приборов в своем классе.
Новые защитные компоненты разработаны в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2 для контактного разряда электростатики (ESD) напряжением до 24 кВ, что значительно превышает требования стандарта. Несмотря на свои миниатюрные размеры, TVS диоды от компании TDK/EPCOS допускают большой скачок тока нагрузки до 8 А в соответствии с IEC 61000-4-5 (8/20 мкс).
Представленные TVS диоды могут применяться в различных приложениях интернета вещей (IoT), умного дома или систем Индустрии 4.0. А за счет своего миниатюрного размера новые TVS диоды отлично подходят для устройств носимой электроники – смартфонов, ноутбуков, планшетов, умных часов и беспроводных наушников.
TVS Диоды от Diotec
TVS Диоды от Diotec
«Зеленым» и экологически безопасным технологиям необходима высокопроизводительная электроника с низким энергопотреблением, работающая при низком напряжении. Сопряжение чувствительных компонентов, таких как датчики, микроконтроллеры, преобразователи данных и т. д., с реальным миром или подключение их к другим цепям, таким как индуктивные нагрузки, может подвергнуть их скачкам напряжения, превышающим нормативные максимальные пределы. Во избежание необратимого повреждения, вызванного переходными процессами напряжения, разработчики должны принять меры защиты, которые изолируют активную цепь от таких событий, но не влияют на работу в нормальных условиях.
Портфолио ограничителей переходного напряжения (TVS) Diotec предлагает широкий выбор решений для широкого спектра приложений.
TVS-диоды — это кремниевые устройства, предназначенные для защиты от скачков напряжения, превышающих желаемый максимальный уровень. При включении параллельно цепи они создают вокруг нее защитный путь (рис. 1, рис. 2). В нормальных условиях, когда входное напряжение остается в желаемых пределах, TVS-диод демонстрирует высокий импеданс, таким образом не влияя на поведение схемы ниже по потоку. Как только достигается максимальный уровень напряжения, проявляется
лавинный эффект, и TVS-диод создает путь с низким импедансом, тем самым отводя всю избыточную энергию в землю. Таким образом, цепь остается невредимой, и нормальная работа может продолжаться.
Рисунок 1: Однонаправленная защита TVS
TVS-диоды — это кремниевые устройства, предназначенные для защиты от скачков напряжения, превышающих желаемый максимальный уровень. При включении параллельно цепи они создают вокруг нее защитный путь (рис.
1, рис. 2). В нормальных условиях, когда входное напряжение остается в желаемых пределах, TVS-диод демонстрирует высокий импеданс, таким образом не влияя на поведение схемы ниже по потоку. Как только достигается максимальный уровень напряжения, проявляется
лавинный эффект, и TVS-диод создает путь с низким импедансом, тем самым отводя всю избыточную энергию в землю. Таким образом, цепь остается невредимой, и нормальная работа может продолжаться.
Рисунок 2: Двунаправленная защита TVS
Диоды TVS доступны для множества диапазонов напряжений, как однонаправленных, так и двунаправленных типов.
Однонаправленные TVS диоды имеют асимметричное поведение, защищающее от скачков напряжения одной полярности (рис. 1, рис. 3). Для сигналов противоположной полярности они работают в основном как стандартный выпрямитель. Некоторые приложения требуют защиты как от положительных, так и от отрицательных скачков напряжения. В этих случаях предпочтительным решением являются двунаправленные TVS диоды (рис.
2). Они имеют симметричную характеристику, блокирующую избыточную энергию обеих полярностей (рис. 4).
Рисунок 3: Однонаправленные TVS
Рисунок 4: Двунаправленные TVS
При выборе TVS диода проектировщики должны убедиться, что он способен выдерживать максимальные ожидаемые скачки напряжения. Приведенные ниже определения помогут лучше понимать параметры Datasheet.
• Pppm: Пиковая импульсная мощность рассеяния − это показатель способности диода рассеивать энергию и определяется как пиковый импульсный ток Ippm умноженный на максимальное напряжение ограничения Vc. Поскольку скачки напряжения зависят от времени, переходных процессов, Pppm задается с импульсным током 10/1000 мкс: 10 мкс нарастание до пика и 1000 мкс экспоненциальное затухание до половины пика (рис. 5). Для неповторяющихся
импульсов пиковая мощность всегда должна оставаться ниже кривой на рис. 6.
• Vwm: Рабочее напряжение — это максимальное заданное напряжение, при котором TVS диод работает в режиме высокого импеданса без выхода из строя.
• Vbr: Напряжение пробоя — это значение, при котором устройство TVS начнет проводить ток. Vbr указывается на фиксированном уровне тока и обычно составляет примерно на 10% выше, чем Vwm.
• Vc: Максимальное напряжение ограничения определяет напряжение на TVS диоде при максимальном токе IPPM. Применяется приведенная ниже формула:
Pppm= Ippm x Vc
Рисунок 5: Форма сигнала 10/1000 мкс (P6SMBJ65)
Рисунок 6: Неповторяющаяся пиковая импульсная мощность в зависимости от ширины импульса (P6SMBJ65)
В следующей таблице представлен обзор ассортимента TVS от Diotec для различных номинальных мощностей и типов корпусов.
Примечание
В настоящих рекомендациях описываются предложения по устройству и не должны рассматриваться как гарантированное и проверенное решение для какой-либо схемы. Никакие гарантии или гарантии, явные или подразумеваемые, не даются в отношении мощности, производительности или пригодности любого устройства, схемы и т.д.
Как использовать диоды TVS для подавления переходного напряжения
Диоды являются наиболее фундаментальными полупроводниковыми устройствами, которые обычно используются во многих электронных устройствах, таких как выпрямители, преобразователи, инверторы, схемы защиты, регуляторы и т.
д. Три наиболее известных тип диодов: выпрямительный диод (общий диод), стабилитрон и диод Шоттки , мы уже изучили основы диодов и их работу. Но есть еще один тип специального диода, известный как 9.0003 Диод TVS , который играет жизненно важную роль в борьбе с переходными пиками в схемах проектирования силовой электроники. В этой статье мы более подробно рассмотрим подавители переходных напряжений и зачем они нужны вашей схеме.
Что понимают под переходными процессами?
Переходные процессы — это кратковременные всплески напряжения или тока , которые могут повредить цепь различными способами. Некоторые переходные процессы происходят только один раз, а некоторые могут повторяться. Эти переходные процессы варьируются от нескольких милливольт до тысяч вольт и могут длиться от наносекунд до сотен миллисекунд.
Что вызывает переходные процессы в цепи?
Переходные процессы могут быть вызваны внутренними или внешними соединениями в цепи.
Например, переходные процессы могут генерироваться внутри из-за переключения индуктивной нагрузки или неисправных контактов в переключателях и разъемах. Внешне он может генерироваться из-за ударов молнии или индуктивного включения.
Подавители переходных напряжений (TVS)
Подавители переходного напряжения или TVS — это устройства защиты , которые используются для защиты ваших цепей от этого внезапного скачка напряжения или тока. Основным способом защиты цепи от перенапряжения является размещение этих устройств TVS параллельно цепи .
Типы устройств подавления переходных напряжений
Существует множество типов устройств TVS , которые можно использовать для подавления переходных напряжений, а именно металлооксидный варистор, Диод TVS , стабилитрон или обходной конденсатор.
По принципу действия ограничители переходных напряжений можно разделить на два класса: зажимные и ломовые.
Зажимные устройства ограничивают напряжение до фиксированного уровня. При этом они поглощают избыточную энергию перенапряжения. Диоды TVS являются примером фиксирующих устройств.
С другой стороны, устройства Crowbar после срабатывания существенно закорачивают защищенную линию, перенаправляя избыточную энергию от защищаемой цепи. Как вы можете видеть на графике ниже, когда Обнаружено триггерное напряжение (скачок) , ломовое устройство закорачивает цепи, таким образом, линейное напряжение снижается, затем через некоторое время, когда ломовое устройство размыкает цепь, линейное напряжение снова поднимается до стабильного состояния для нормальной работы цепи.
Диод для подавления переходных напряжений – диод TVS
Диод для подавления переходных напряжений представляет собой полупроводниковый диод с PN-переходом, специально разработанный для нейтрализации внезапных или мгновенных воздействие перенапряжения на чувствительные полупроводники и цепи.
Диод подавления переходного напряжения представляет собой фиксирующее устройство, поэтому всякий раз, когда индуцированное напряжение превышает напряжение лавинного пробоя , он поглощает избыточную энергию события перенапряжения, а затем автоматически сбрасывается после условия перенапряжения . Хотя стандартные диоды и стабилитроны также можно использовать для защиты от перенапряжения/переходных процессов, они не так надежны, как диоды для подавления переходных напряжений, поскольку стандартные диоды и стабилитроны предназначены для выпрямления и регулирования напряжения.
Типы диодов TVS:
Диоды для подавления переходных напряжений можно разделить на два типа. Один однонаправленный, а другой двунаправленный.
Однонаправленный диод для подавления переходных напряжений работает как выпрямитель в цепи в прямом направлении , как и любой другой лавинный диод , и этот однонаправленный диод выдерживает очень большие пиковые токи.
Символ однонаправленного диода TVS показан на изображении ниже, и он очень похож на диод Зенера.
С другой стороны, двунаправленный диод для подавления переходных напряжений может быть представлен двумя взаимно противоположными лавинными диодами , соединенными последовательно друг с другом. Эти диоды подключаются параллельно защищаемому устройству или цепи. В отличие от символа, эти диоды изготавливаются как единый компонент. Символ двунаправленного диода TVS показан на изображении ниже.
Обозначение двунаправленного диода TVSКак использовать диоды TVS
Диоды TVS подключаются параллельно защищаемому устройству или цепи. Устройство TVS специально разработано для пробоя при определенном уровне напряжения и проводит большой ток, не вызывая повреждений.
Цепь применения диода TVS
В нормальных условиях напряжения диод TVS выглядит как разомкнутая цепь , но присутствует небольшой ток утечки.
Когда нормальное напряжение превышает определенный уровень, переход диода TVS лавинообразен, в результате чего перенапряжение отводится от защищаемой цепи и зашунтирован через диод TVS. Устройство автоматически сбрасывается, когда исчезает перенапряжение.
ВАХ
ВАХ для однонаправленного и двунаправленного диода TVS показаны на графике ниже. Этот характеристический график отображает отношения между напряжением и током. Двунаправленный диод имеет одинаковую характеристическую кривую в положительном и отрицательном направлении, поэтому не имеет значения, каким образом они подключены к цепи. Однонаправленный диод имеет более высокое напряжение включения в положительном направлении по сравнению с отрицательным.
V-I Характеристики однонаправленного и двунаправленного диода TVSПараметры диода TVS:
На рынке представлено много типов диодов TVS, разработанных для конкретного применения.
Когда вы выбираете диод TVS , вы можете найти в таблице данных следующие термины, соответствующие вашему проекту.
Обратное напряжение отключения (V R ): Обратное напряжение отключения — это максимальное напряжение, которое может быть приложено к защитному устройству без фактической активации устройства. Аппарат В R должно быть равно или выше пикового рабочего напряжения защищаемой цепи. Это делается для того, чтобы защитное устройство не ограничивало нормальное рабочее напряжение цепи или сигнальное напряжение.
Напряжение пробоя (V BR ): Напряжение пробоя — это напряжение, при котором диод начинает защищать и проводить ток. Как правило, V BR рассчитан на 1 мА.
Напряжение фиксации (V C ): Напряжение фиксации — это максимальное напряжение, которому подвергается защищаемая цепь во время события тестовой формы сигнала. В большинстве спецификаций напряжение фиксации указано для сигнала 1 А или 2 А с временем нарастания 8 мкс.
Пиковый импульсный ток (I PP ): Пиковый импульсный ток — это максимальный ток, который может выдержать защитное устройство.
Применение
Диод TVS обычно используется для Отвода/фиксации в низкоэнергетических цепях и системах, а также для Защита от электростатического разряда в цепях. Применение диода для подавления переходных напряжений можно найти в линиях передачи данных и сигналах, микропроцессорной и МОП-памяти, линиях электропередач переменного/постоянного тока и телекоммуникационном оборудовании. Некоторые примеры схем приведены ниже:
5KE
8
5KE6.8A thru 1.5KE540A, 1N6267A th
0196
