Ο αντίκτυπος των παροδικών αιχμών τάσης και υπερτάσεων στα ηλεκτρονικά κυκλώματα ποικίλλει, από ενοχλητικές μικρές βλάβες έως καταστροφικές συνέπειες που μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στα εξαρτήματα του κυκλώματος. Οι αιτίες τέτοιων παροδικών φαινομένων είναι ποικίλες, συμπεριλαμβανομένων των κεραυνών, του στατικού ηλεκτρισμού και της επαγόμενης εκφόρτισης (Εικόνα 1).
Εικόνα 1: Το παροδικό μπορεί να προκληθεί από κεραυνό, στατικό ηλεκτρισμό ή επαγόμενη εκφόρτιση, που μπορεί να προκαλέσει σοβαρή βλάβη σε μη προστατευμένες ηλεκτρονικές συσκευές. (Πηγή εικόνας: Littelfuse Inc.)
Τέτοιες μεταβατικές καταστάσεις μπορούν να δημιουργήσουν παλμούς με μέγιστες τάσεις που κυμαίνονται από εκατοντάδες βολτ έως δεκάδες χιλιάδες βολτ και ρεύματα που φτάνουν σε επίπεδα κιλοαμπέρ, με διάρκειες που κυμαίνονται από εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα έως χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Η σμίκρυνση των IC και των επεξεργαστών, καθώς και η μείωση της τάσης τροφοδοσίας, τα καθιστούν πιο ευαίσθητα στα ηλεκτρικά μεταβατικά. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για οχήματα που ελέγχονται από πολλαπλά ηλεκτρονικά συστήματα, όπως κινητήρα, σύστημα διεύθυνσης, πέδησης, κλιματισμός και ψυχαγωγίας.
Για την προστασία των ευαίσθητων κυκλωμάτων, έχουν αναπτυχθεί διάφορες στρατηγικές σχεδιασμού, συμπεριλαμβανομένων θωρακισμένων καλωδιώσεων, φίλτρων, καταστολής τόξου και συσκευών σύσφιξης. Η θωράκιση και το φιλτράρισμα υιοθετούν παθητικό σχεδιασμό, ενώ η καταστολή τόξου και η προστασία από σφιγκτήρες υιοθετούν ενεργούς μηχανισμούς. Διάκενα σπινθήρα, σωλήνες εκκένωσης αερίου, θυρίστορ και άλλες συσκευές πυρόσβεσης τόξου εκτρέπουν τα μεταβατικά ρεύματα προς το έδαφος για να προστατεύσουν το κύκλωμα. Όταν η συσκευή πυρόσβεσης τόξου βρίσκεται σε ενεργή κατάσταση, ο προστατευμένος εξοπλισμός δεν λειτουργεί, αλλά μόλις εξαφανιστεί το παροδικό, ο εξοπλισμός μπορεί να λειτουργήσει κανονικά.
Οι συσκευές σύσφιξης περιλαμβάνουν βαρίστορ μεταλλικού οξειδίου (MOV), διόδους Zener και διόδους χιονοστιβάδας μεταβατικής καταστολής τάσης (TVS), οι οποίες διατηρούν σταθερή τάση στην προστατευμένη συσκευή αλλάζοντας την αντίσταση. Αυτές οι τεχνολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεμονωμένα ή ταυτόχρονα. Οι δίοδοι TVS χρησιμοποιούνται ευρέως ως συσκευές σύσφιξης λόγω της γρήγορης ταχύτητας απόκρισής τους και της υψηλής απαγωγής ισχύος.
Μεταβατική δίοδος καταστολής τάσης
Η δίοδος TVS είναι μια δίοδος χιονοστιβάδας που χρησιμοποιείται ως συσκευή σύσφιξης. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει την τάση διάσπασης της χιονοστιβάδας, θα εκτρέψει υπερβολικό ρεύμα και θα διατηρήσει ή θα συσφίξει την τάση σε σταθερό δυναμικό. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι χαμηλότερη από την τιμή διάσπασης, θα επαναφερθεί αυτόματα.
Οι δίοδοι TVS μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές μονής κατεύθυνσης για την αποφυγή μονοπολικών μεταβατικών φαινομένων, καθώς και αμφίδρομες συσκευές για την αποτροπή μεταβατικών φαινομένων οποιασδήποτε πολικότητας (Εικόνα 2). Οι αμφίδρομες συσκευές μπορεί να είναι συμμετρικές, ικανές να συσφίγγουν οποιαδήποτε τάση πολικότητας με το ίδιο πλάτος ή ασύμμετρες, ικανές να συσφίγγονται σε διαφορετικά επίπεδα τάσης με βάση την πολικότητα των μεταβατικών.
Εικόνα 2: Χαρακτηριστικά κατανομής τάσης ρεύματος και σχηματικά σύμβολα τριών συσκευών TVS. (Πηγή εικόνας: Littelfuse Inc.)
Η αρχή λειτουργίας μιας μονοκατευθυντικής διόδου TVS είναι παρόμοια με αυτή μιας απλής διόδου. Αγωγή όταν πολώνεται προς τα εμπρός και δεν αγώγεται όταν πολώνεται προς τα πίσω, έως ότου υπερβεί την τάση διάσπασης (VBR) της διόδου. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει το VBR, η δίοδος άγει, διατηρώντας την τάση στους ακροδέκτες της στην τάση σφιγκτήρα (VC). Η μέγιστη ισχύς που μπορεί να διαχέει αυτή η δίοδος είναι το μέγιστο ρεύμα παλμού (IPP) x VC.
Μια αμφίδρομη δίοδος TVS ισοδυναμεί με δύο διόδους back-to-back. Όταν δεν γίνεται υπέρβαση της τάσης διάσπασης (VBR) προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, ρέει μόνο ένα μικρό αντίστροφο ρεύμα διαρροής (IR). Αυτή η λειτουργία είναι συμμετρική επειδή τα πλάτη της τάσης διάσπασης στις δύο συνθήκες πόλωσης είναι τα ίδια.
Η λειτουργία των ασύμμετρων διόδων TVS είναι παρόμοια με αυτή των αμφίδρομων συσκευών, αλλά οι τάσεις διάσπασής τους (VBR1 και VBR2) είναι διαφορετικές.
Ασύμμετρη δίοδος TVS
Ίσως αναρωτιέστε γιατί χρειάζονται ασύμμετρες δίοδοι TVS. Αυτά τα εξαρτήματα έχουν σχεδιαστεί για να προστατεύουν τους οδηγούς πύλης σε MOSFET καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Λόγω της γρήγορης ταχύτητας μεταγωγής του SiC, αυτοί οι οδηγοί είναι επιρρεπείς σε ζημιές που προκαλούνται από παροδικές υπερτάσεις. Ας ρίξουμε μια ματιά στο SiC MOSFET ή στον μετατροπέα έλξης που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση αυτοκινήτου (Εικόνα 3).
Εικόνα 3: Ασύμμετρες τηλεοράσεις TPSMB1505CA που χρησιμοποιούνται για την προστασία των προγραμμάτων οδήγησης πύλης διακόπτη SiC MOSFET. (Πηγή εικόνας: Littelfuse Inc.)
Το Asymmetric Littelfuse TPSMB1505CA TVS χρησιμοποιείται για την προστασία του προγράμματος οδήγησης πύλης των MOSFET. Ο οδηγός πύλης έχει δύο καταστάσεις. Η τάση πύλης στην κατάσταση ενεργοποίησης είναι μεταξύ -5 και 10 V, ενώ στην κατάσταση απενεργοποίησης είναι κάτω από -10 V. Η ονομαστική τάση διάσπασης καθόδου (K) προς άνοδο (Α) του TPSMB1505CA είναι 16,7 έως 18,5 V, και η μέγιστη τάση σύσφιξης είναι 24,4 V διεύθυνση I24,4 V. η διάρκεια του παλμού είναι 10 έως 1000 ms.
Η τάση διάσπασης του TVS από το Α έως το Κ είναι 6,8 έως 7,4 V και η μέγιστη τάση σύσφιξης είναι 11,5 V. Το μέγιστο ρεύμα παλμού προς αυτήν την κατεύθυνση είναι 60 A και η διάρκεια του παροδικού παλμού είναι επίσης 10 έως 1000 ms. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω ενός μόνο συστατικού. Εάν χρησιμοποιούνται ανεξάρτητα εξαρτήματα για την επίτευξη αυτού του ασύμμετρου τρόπου εργασίας, πολλά εξαρτήματα πρέπει να συνεργάζονται.
Η ασύμμετρη δίοδος TVS της σειράς Littelfuse TPSMB (Εικόνα 4) περιλαμβάνει δύο πρόσθετα εξαρτήματα με διαφορετικές τάσεις διακοπής K έως A. Το TPSMB1805CA παρέχει ένα εύρος τάσης διάσπασης K έως A από 20,0 έως 21,1 V, με μέγιστη τάση σφιγκτήρα 29,2 V. Η ονομαστική Ipp είναι 20,6 A και η διάρκεια παλμού είναι 10 έως 1000 ms. Το εύρος τάσης διάσπασης Α έως Κ είναι το ίδιο με το TPSMB1505CA (6,8 έως 7,4 V).