שימוש בדיודות שיכוך מתחים טרנזיינטיים כדי להקנות עמידות למעגלים ולשמור על שלמות המערכת החשמלית

טרנזיינטים חשמליים מהירים (EFT) הם מציאות שהמתכננים חייבים לתת עליה את הדעת כדי להגן על המעגלים, המערכות ומשתמשי המערכות. למתחי EFT יש מקורות רבים, כולל פריקה אלקטרוסטטית (ESD) עקב פעולות פשוטות כמו הליכה על שטיח, התנעת מנוע או פגיעת ברק הגורמות לאפקט אדווה (Ripple effect). טרנזיינטים אלה עלולים להשפיע לרעה על כל סיווג של מוצר, החל מציוד לביש המופעל על ידי סוללות במתח נמוך ועד למערכות מנועים בעלות הספק גבוה.

ההשפעות של מתחי EFT נעות בין שיבוש זמני וחוסר יכולת לתפקד, דרך דגרדציה ארוכת טווח בביצועים ועד לנזק וכשל פרמננטיים. המתכננים יכולים לנקוט אמצעים להפחתת נחשולי מתח רגעיים, כגון שימוש במארזים אנטי סטטיים, סינון, הידוק (Clamping) במקור או הארקה נוספת, ולעתים קרובות יש צורך לעדכן או לשדרג אמצעים אלה בהתאם לתרחיש היישום הספציפי.

כדי למזער או לבטל בצורה אמינה את ההשלכות השליליות של מתחים טרנזיינטיים, המתכננים יכולים להשתמש ברכיבים פסיביים בעלי שני הדקים הנקראים דיודות שיכוך מתחים טרזינטיים (TVS). אף שבדרך כלל הדיודות הללו נראות כמו מעגל פתוח, הן מגיבות באופן כמעט מיידי ומדמות קצר בעת אירוע טרנזיינט, ובכך מפנות את מתח היתר החולף לאדמה. דיודות TVS מספקות תגובה מהירה, יכולת עמידה במתח גבוה, משך חיים ארוך וקיבוליות נמוכה.

במאמר זה נבחן את הצורך, סוגי התפקידים, והיישום של דיודות TVS, תוך שימוש בדוגמאות של משפחות התקנים והתקנים שונים מתוצרת Eaton Corporation plc ‏(Eaton).

נתחיל עם תקני IEC

כדי להפחית את הסיכונים של מתחי EFT, הנציבות האלקטרו-טכנית הבינלאומית (IEC) הגדירה שלושה תקנים מוכרים בעולם להגנה מפני מתח יתר במסגרת תקן IEC 61000-4 ‏("Electromagnetic compatibility (EMC): Testing and measurement techniques")(תאימות אלקטרומגנטית (EMC): טכניקות בדיקה ומדידה):

1) IEC 61000-4-2 עוסק בחסינות מפני ESD ברמת המערכת, החלה על ESD הנגרם על ידי מגע אדם (איור 1). לגבי צורת גל זו, זמן העלייה (tr) קצר ב-0.7 עד 1 ננו-שניה (ns), כאשר רוב האנרגיה מתפזרת בתוך 30 הננו-שניות הראשונות, ולאחר מכן דועכת במהירות. לכן, נדרשת הגנה ממתח יתר הפועלת במהירות רבה מאוד בתגובה לאירועי ESD.

איור 1: צורת גל פולס ESD טיפוסית עקב מגע אדם, כפי שמאופיינת בתקן IEC 61000-4-2. זמן העלייה קצר מאוד – פחות מננו-שנייה – כאשר רוב האנרגיה מתפזרת במהלך 30 הננו-שניות הראשונות. (מקור התמונה: Eaton)

צורת הגל לבדה אינה מציינת את רמות המתח הנלוות. IEC 61000-4-2 מגדיר מתחי בדיקה לחסינות ESD לפריקה במגע ולפריקה באוויר ברמת המערכת בסוגי ציוד שונים (איור 2).

איור 2: רמות IEC 61000-4-2 עבור פריקה באוויר ופריקה במגע מגדירות ביתר הרחבה את המאפיינים הספציפיים של מגע אדם. (מקור התמונה: Eaton)

הבחירה ההולמת של דיודת TVS תלויה ברמת ההגנה מפני ESD הנדרשת ביישום נתון. חשוב לציין כי כל דיודות TVS של Eaton מציעות ביצועים מינימליים ברמה 4 כפי שנבדקו לפי תקן IEC 61000-4-2. קיימות אפשרויות נוספות המקנות הגנת עמידות גבוהה עוד יותר ב-ESD: עד 30 קילו-וולט (kV) בפריקה באוויר וגם בפריקה במגע.

2) IEC 61000-4-5 עוסק בחסינות מפני נחשולי מתח, כגון אלה שנוצרים על ידי ברק או במיתוג מערכות חשמל. בניגוד לחשמל סטטי בהספק נמוך יחסית, האנרגיה של מכות ברק עשויה להגיע עד 1 ג'יגה-ג'אול (GJ‏) של במתח נחשול של עד 120 קילו-וולט. טרנזיינטים (נחשולי מתח רגעיים) בהשראת ברק יכולים להתרחש עקב פגיעה ישירה של ברק במעגלים חשמליים חיצוניים וליצור נחשולי מתח, או עקב פגיעות עקיפות של ברק הגורמות לנחשולי מתח במוליכים, או זרימות חשמל בקרקע שמקורה בברק. חשוב לציין כי דיודות TVS משככות ESD אינן מיועדות להגן מפני פגיעות ברק ישירות, אך עדיין יש צורך באמצעי שיכוך מתח מכיוון שפגיעות אלו עלולות לשלוח טרנזיינטים ברחבי מערכות הולכה חשמליות למרחקים של 1 מייל ומעלה.

IEC 61000-4-5 מגדיר צורת גל טיפוסית של מתח ברק (איור 3).

איור 3: זוהי צורת הגל של פולס ברק המוגדרת על ידי IEC 61000-4-5 ‏(I_PP הוא זרם השיא). (מקור התמונה: Eaton)

תקן IEC 61000-4-5 מגדיר גם את רמות מתח הבדיקה לחסינות מפני נחשולי מתח בסיווגים של ציוד חשמלי/אלקטרוני (איור 4).

הרמות מוגדרות על ידי יישום הקצה:

• Class 1: סביבה מוגנת חלקית
• Class 2: סביבה חשמלית שבה יש הפרדה קפדנית של כבלים, גם בטווחים קצרים
• Class 3: סביבה חשמלית שבה כבלי חשמל וכבלי אותות העוברים במקביל זה לזה
• Class 4: סביבה חשמלית של חיברורים (Interconnections) העוברים ככבלים חיצוניים יחד עם כבלי חשמל, והכבלים משמשים למעגלים אלקטרוניים וגם למעגלים חשמליים

איור 4: IEC 61000-4-5 מגדיר ארבע קטגוריות של רמות בדיקה לחסינות מנחשולי מתח. (מקור התמונה: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 עוסק בהגנה מפני נחשולי EFT (איור 5). נחשולי EFT נגרמים על ידי פעולתם של עומסים השראותיים בפעולה מאומצת, כגון מנועים, ממסרים, מגעוני מיתוג במערכות הולכת חשמל ומיתוג כניסה או יציאה בציוד תיקון גורם הספק (PFC).

איור 5: צורת גל פולס EFT כפי שמאופיינת על ידי IEC 61000-4-4. (מקור התמונה: Eaton)

חשוב לציין כי לעיתים קרובות נחשולי EFT מאופיינים בצורה פשוטה על ידי שני מספרים מזווגים: זמן העלייה לערך השיא (‎t₁‎), ומשך הפולס עד שנחשול המתח יורד ל-50% מערך השיא (t_2২‎‎). טרנזיינט באורך 8/20 מיקרו-שניות (µs) הוא פולס שכיח ביישומים תעשייתיים.

סדר הגודל של מתח טרנזיינט בפריקה אלקטרוסטטית (ESD) שמעגל או מערכת צריכים לעמוד בו תלוי ביישום. שלוש קטגוריות מוגדרות ב-MIL-STD-883‏, תקן הנמצא בשימוש נרחב בתעשייה, כמו גם במערכות צבאיות ובמערכות תעופה וחלל (איור 6).

איור 6: קיימות שלוש רמות סיווג רגישות ל-ESD לפי שיטה מספר 3015 של תקן MIL-STD-883. (מקור התמונה: Eaton)

פתרון הבעיה באמצעות התקני TVS

דיודות TVS מאפשרות למתכננים לעמוד בדרישות שונות ולהגן על המערכות. דיודות TVS הן התקני סיליקון להגנה מפני מתח-יתר, ופעולתן מבוססת על עקרון ה-Avalanche-Breakdown (פריצת מפולת) של דיודה. מתקינים אותן במקביל למעגל הרגיל כדי להגן על רכיבים פנימיים מפני טרנזיינטים (Transient) ומפני מתחים בינוניים/גבוהים (איור 7).

איור 7: דיודת ה-TVS ממוקמת על פני הכניסה, בין הקו המוגן לבין הארקת המערכת. (מקור התמונה: Eaton)

בפעולה רגילה ללא טרנזיינטים, דיודות TVS שומרות על אימפדנס גבוה ואינן מפריעות להספקת כוח או להעברת אותות דרך הציוד. ואולם כאשר מגיע הלם אנרגיה רגעי למגעי החיבור של דיודת TVS, היא מגנה על רכיבי המעגל במורד הזרם על ידי הפחתה מהירה של אימפדנס (הנקראת Avalanche breakdown – פריצת מפולת ) ובכך סופגת את הזרם הגבוה ומהדקת את המתח לרמה בטוחה.

דיודות TVS קיימות בשוק כהתקני צומת P-N חד-כיווניים או דו-כיווניים. למרות השמות, רוב דיודות ה-TVS החד-כיווניות משככות מתחים בשני מצבי הקוטביות. ההבדל בין שני הסוגים הוא שדיודות TVS חד-כיווניות מפגינות תכונות מתח-זרם (V-I) אסימטריות, בעוד שדיודות TVS דו-כיווניות מתאפיינות בתכונות מתח-זרם סימטריות (איור 8). דיודות TVS דו-כיווניות מתאימות היטב להגנה על צמתים חשמליים עם אותות דו-כיווניים או כאלה שהם מעל וגם מתחת למתח הארקה.

איור 8: השמות של דיודות TVS אינם משקפים כיווניות אינהרנטית כלשהי. ההבדל בין שני הסוגים הוא שדיודות TVS חד-כיווניות מפגינות תכונות מתח-זרם (V-I) אסימטריות, בעוד שדיודות TVS דו-כיווניות מתאפיינות בתכונות מתח-זרם סימטריות. (מקור התמונה: Eaton)

ביצועי דיודות TVS נקבעים על ידי הפרמטרים העיקריים, המארז והמיקום בלוח

דיודות TVS מוגדרות על ידי מפרטים רבים ברמה-גבוהה. ביניהם ישנם:

• מתח עבודה הפוך נומינלי מרבי – Nominal reverse working maximum voltage ‏(V_RWM‎‎): נקרא גם מתח הרחקה הפוך (Reverse standoff voltage), זהו מתח ההפעלה המרבי של דיודת TVS כשהיא במצב קטעון
• מתח פריצה (V_BR‎): המתח שבו מתרחשת פריצת מפולת בדיודת TVS שתוצאתה אימפדנס נמוך
• זרם זליגה הפוך (I_R‎): הזרם הזורם דרך דיודת TVS כשהיא בממתח-אחורני
• מתח הידוק (Vc): המתח על פני דיודת TVS בשיא זרם הפולס הנקוב שלה (I_pp‎)
• קיבוליות: מדד של מטען מאוחסן, בדרך כלל בפיקו-פאראד (pF), בין פין הכניסה לבין נקודת ייחוס אחרת (לעתים קרובות הארקה/אדמה), הנמדד בדרך כלל באות של 1 מגה-הרץ (MHz)
• זרם שיא (I_pp‎): ההבדל בין האמפליטודה החיובית המקסימלית לבין האמפליטודה השלילית המקסימלית של צורת הגל של הזרם

בחירת דיודת TVS היא בדרך כלל תהליך של ארבעה שלבים:

1. יש לבחור דיודה בעלת מתח הרחקה גבוה ממתח הפעולה הרגיל שלה
2. יש לוודא שזרם השיא המוגדר עולה על זרם השיא הצפוי ולוודא שהדיודה ערוכה להתמודד עם ההספק הנדרש במהלך אירוע טרנזיינט
3. יש לחשב את מתח ההידוק המרבי (V_CL‎) של הדיודה שנבחרה
4. יש לאמת כי ה-V_CL‎ המחושב נמוך מהערך הנקוב המרבי המוחלט שצוין עבור הפין המוגן

יש חשיבות קריטית למיקום של התקני TVS בלוח המעגל החשמלי כדי להבטיח מימוש של מלוא יכולת הביצועים של התקנים אלה. להגנת הטובה ביותר מפני נחשולי מתח, יש למקם את הדיודות קרוב ככל האפשר לנקודת הכניסה של המתח, כגון חיבורי הכניסה/יציאה, כדי למזער את ההשפעה של מעגלים פרזיטיים על השיכוך האפקטיבי של נחשולי מתח מהירים.

דוגמאות של דיודות TVS הממחישות את ההיצע המגוון

דיודות TVS של Eaton מתאימות היטב להגנה מפני מתח-יתר בממשקי כניסה/יציאה וקווי אותות דיגיטליים ואנלוגיים במהירות גבוהה. הן מציגות מתחי הידוק נמוכים ביותר, הספק שיא גבוה, פיזור זרמים גבוהים וזמני תגובה בסדר גודל של ננו-שניות.

המארז של דיודת TVS קשור באופן הדוק למפרט. הדיודות משווקות במארז הרכבה-משטחית (SMD) וגם במארז חור-עובר (Through-hole), כאשר האחרון מציע ביצועי מתח/זרם גבוהים יותר.

דיודות TVS נדרשות להגן מפני תחום רחב של מתחים וזרמים. לכן, לא די בערך אחד של דירוג המתח ופרמטרים נוספים כדי לתת מענה לכל מצבי EFT. אפשר להמחיש את הנקודות הללו באמצעות דוגמאות של נציגים מארבע משפחות מוצרים שונות.

1) סדרת SMFE מתאפיינת ביכולת הספק שיא בפולס (Peak pulse power) של 200 ואט בצורת גל של ‎10/1000 µs. ההתקנים נתונים במארז תקני בעל פרופיל נמוך מסוג SOD-123FL בגודל 2 × 3 × 1.35 מילימטרים (מ"מ), התורם לאופטימיזציה של שטח הלוח ביישומים ניידים ולבישים.

אחת מנציגות הסדרה היא SMFE5-0A (איור 9). היא מתאפיינת במתח הידוק של 9.2 וולט, זרם שיא (I_pp‎) של ‏21.7 אמפר ותמיכה בתרחיש שימוש חד-כיווני או דו-כיווני. זרם הזליגה ההפוך נמוך מ-‎1 μA בפעולה מעל ‎10 V, וזמן התגובה מהיר, בדרך כלל פחות מ-1.0 פיקו-שניה (ps) מ-0 וולט עד מתח הפריצה (V_BR‎).

איור 9: דיודת TVS מסוג SMFE5-0A 9.2 V של Eaton משווקת במארז SOD-123FL דק ומיועדת ליישומים ניידים ולבישים. (מקור התמונה: Eaton)

2) סדרה ST מספקת הגנה על קו כניסה/יציאה דו-כיווני אחד, ומיועדת ליציאות USB וליציאות נתונים נוספות, משטחי מגע, לחצנים, מתח DC, מחברי RJ-45 ואנטנות RF. נציגות משפחה זו, כגון _{STS321120B301} המיועדת למתח 33 וולט וזרם 12‎ A Ipp‎, נתונות במארז SOD-323 SMT זעיר בגודל 1.8 × 1.4 × 1.0 מ"מ ומדורגות ל-400 וואט הספק שיא בפולס לקו (t_P = ‎8/20 μs‎). דיודות מסדרה זו תומכות במתחי עבודה בתחום של 2.8 וולט (V_DC‎) עד 70 וולט (V_DC‎) עם קיבוליות אולטרה-נמוכה – עד ‎0.15 pF. דיודות אלו מספקות הגנת ESD עד 30 קילו וולט (לפי IEC 61000-4-2).

3) סדרה AK כוללת דיודות TVS המיועדות להספק גבוה, מספקות הגנה ברמה עד ‎10,000 A ומתוכננות לעמוד בסביבות בדיקה של נחשולי מתח קיצוניים ביישומי AC ו-DC. דיודות אלו מציגות יחס שינוי מתח/זרם (Slope resistance) נמוך וכן מקדם הידוק מעולה בזכות טכנולוגיית Snapback. הן עומדות בדרישות תקני UL1449 של התקני הגנת נחשולים עבור יישומים כמו מוצרי אלקטרוניקה, מכשירי חשמל, אוטומציה תעשייתית או הגנת קווי AC. (הערה: יחס מתח/זרם או התנגדות דינמית הוא ההתנגדות שהדיודה מציגה כאשר מופעל עליה מתח AC‏; Snapback הוא תהליך שבו הולכה של זרמים גבוהים בהתקן נמשכת גם במתחים נמוכים יותר.)

כדי לעמוד בדרישות הזרם ובדרישות של UL, התקנים בסדרה זו נתונים במארז מוליכים אקסיאליים מסוג 'חור-עובר' כמו בדיודה AK6E-066C, המתאפיינת במתח הידוק של 120 וולט ובזרם ‎6000 A I_pp (איור 10). אורך הדיודה בין המוליכים הוא 25 מ"מ והגוף ה"מרכזי" שלה ריבועי בקירוב בגודל כ-13 × 15 מ"מ.

איור 10: דיודת TVS‏ להספק גבוה מסוג AK6E-066C למתח של 120‎ V מציעה הגנה של עד ‎10,000 A ונתונה במארז מוליכים אקסיאליים מסוג 'חור-עובר'. (מקור התמונה: Eaton)

4) סדרה SMAJExxH דיודות TVS בגודל SMA ייחודיות בכך שהן מאושרות לתקני AEC-Q101 המקובלים ביישומי רכב. הן מציגות יכולת הספק שיא בפולס של 400 ואט (בצורת גל של ‎10/1000 μs) וזמן תגובה מהיר בדרך כלל פחות מ-‎1.0 ps מ-0 וולט עד ‎V_BR, יחד עם I_R‎ קטן מ-‎1 μA מעל 10 וולט.

ההתקנים במשפחה זו מציגים תחום פעולה של 5 עד 440 וולט. כל התקן קיים בגרסה חד-כיוונית ודו-כיוונית כולל SMAJE22AH, המציגה מתח הידוק של 35.5 וולט וזרם ‎11.3 A I_pp‎ (איור 11). כל התקני הסדרה נתונים במארזי פלסטיק בהרכבה-משטחית בגודל 3.0 × 4.65 × 2.44 מ"מ (מקסימום) העומדים בדרישות דירוג הדליקות UL 94 V-0 (איור 11).

איור 11: דיודת TVS מסוג SMAJE22AH 35.5 V מורשית לתקני רכב בהתאם לתקן AEC-Q101; היא קיימת גם בגרסת מארז פלסטיק העומדת בתקן של דירוג הדליקות UL 94 V-0. (מקור התמונה: Eaton)

סיכום

טרנזיינטים, או נחשולי מתח רגעיים, שמקורם בחשמל סטטי, הפעלת מנוע או ברק בקרבת מקום עלולים לגרום נזק למערכות אלקטרוניות ולרכיביהן. דיודות TVS מגיבות למתחי היתר הללו כמעט באופן מיידי בהסטת נחשול המתח והאנרגיה להארקה, ובכך מגנות על המערכת. כפי שהוצג במאמר, Eaton מציעה סדרות שונות של דיודות TVS, כל סדרה כוללת התקנים רבים המדורגים למתחים שונים, כדי להתאים לעוצמת נחשול המתח הצפוי, לאילוצי המוצר הסופי ולדרישות הרגולטוריות. כל זאת על שטח פיזי קטן במעגל.