Андрей Кадуков

TVS-диоды — полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений в электронных цепях

В реальных условиях эксплуатации электронного оборудования в его цепях могут возникать различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перегрузки по напряжению (перенапряжения), создаваемые электромагнитными импульсами естественного происхождения (за счет мощных грозовых разрядов), электромагнитными импульсами искусственного происхождения (за счет излучений радиопередающих устройств, высоковольтных линий передачи, сетей электрифицированных железных дорог и т. п.), а также за счет внутренних переходных процессов в оборудовании при ее функционировании (например, при переключениях индуктивных нагрузок) и электростатических разрядов (ЭСР).

Воздействие электромагнитного импульса (ЭМИ) естественного и искусственного происхождения на электронные компоненты приводит к изменению их параметров за счет как непосредственного поглощения ими энергии, так и воздействия на них наведенных в цепях импульсов токов и напряжений. По данным фирмы General Semiconductor, потери промышленности США от воздействий перенапряжений составляют более $10 млрд в год. Учитывая сроки эксплуатации электронного оборудования в России, его износ и отсутствие жестких требований по защите от перенапряжений можно предположить, что эти потери в нашей стране сопоставимы с американскими.

Наиболее чувствительными к воздействию импульсных напряжений и токов, наведенных ЭМИ естественного и искусственного происхождения на проводах и кабелях, являются подключенные к ним выходные устройства, в первую очередь выполненные на ИМС и дискретных полупроводниковых приборах.

Минимальная энергия, вызывающая функциональные повреждения полупроводниковых приборов и ИМС, составляет 10-2–10-7 Дж.

Для защиты цепей оборудования от воздействия электрических перегрузок могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.

Таблица 1. Сравнение элементов защиты от перенапряжений

Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.

Группа структурно-функциональных методов включает в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов и др.

Схемотехнические методы включают в себя пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия ЭМИ является активная защита. Основным элементом схем активной защиты являются разрядники, металооксидные варисторы, TVS- (transient voltage supressor) тиристоры и TVS-диоды, называемые в отечественной литературе «супрессорами», «полупроводниковыми ограничителями напряжения (ПОН)» или «диодами для подавления переходных процессов (ППН)». Поскольку в данной статье описываются полупроводниковые приборы зарубежных производителей, будем использовать термин «TVS-диоды».

В табл. 1 приведено сравнение различных элементов активной защиты от перенапряжений.

За рубежом TVS-диоды известны под названиями (торговыми марками) Trans Zorb, Transil, Insel и т. д.

В настоящий момент рядом производителей разработаны TVS-диоды, с помощью которых защита РЭА решена полностью. Более того, с января 1996 года Европейским комитетом по стандартизации (СЕNELEC) введены стандарты, запрещающие продажу на рынке ЕС аппаратуры без защиты, в состав которой входят TVS-диоды.

Полупроводниковые TVS-диоды — полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой, подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинного пробоя диода.

В нормальном рабочем режиме TVS-диод должен быть «невидим», то есть не влиять на работу защищаемой цепи до момента возникновения импульса перенапряжения. Электрические характеристики TVS-диода не должны оказывать никакого влияния на нормальное функционирование цепи.

Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного, в то время как опасный ток протекает через диод на землю, минуя защищяемую цепь. Принцип работы TVS-диода показан на рис. 1.

Рис. 1. Принцип работы TVS-диода

TVS-диоды часто путают с кремниевыми стабилитронами (диодами Зенера). TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных импульсов перенапряжения, в то время как кремниевые стабилитроны предназначены для регулирования напряжения и не рассчитаны на работу при значительных импульсных нагрузках.

TVS-диод обладает высоким быстродействием в отличие от газоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за значительного времени срабатывания (более 0,15 mкс) не решают проблемы защиты многих полупроводниковых приборов и микросхем, поскольку для них недопустимы начальные выбросы напряжения, пропускаемые разрядниками.

Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является еще то, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при их применении защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников.

Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов менее 10-12 с, а у симметричных— менее 5х10-9 с. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Другой важной характеристикой TVS-диодов является барьерная емкость р–n-перехода. Малоемкостные TVS-диоды (С=90–100 пФ) применяются для защиты линий связи переменного тока с частотой до 100 МГц от выбросов напряжения.

Вольтамперные характеристики TVS-диодов и их схемотехнические символы приведены на рис. 1–3.

Рис. 2. ВАХ несимметричного TVS-диода

Рис. 3. ВАХ симметричного TVS-диода

Основные электрические параметры TVS-диодов

U_проб. при I_Т (V_(BR)), В — значение напряжения пробоя при заданном тестовом токе пробоя I_Т ;

I_обр.( I_D) , мка — значение постоянного обратного тока, протекающего через прибор в обратном направлении при напряжении, равном V_обр.;

V_обр. (VWM), В — постоянное обратное напряжение (в соответствии с этим параметром выбирается тип ограничителя);

V_{огр. имп. мах.}( V_С), В — максимальное импульсное напряжение ограничения при максимальном импульсном токе при заданных длительности, скважности, форме импульса и температуре окружающей среды;

Р_{имп. мах.}(P_ppm), Вт — максимально допустимая импульсная мощность, рассеиваемая прибором, при заданных форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды.

Таблица 2. Предельные эксплуатационные характеристики

Примечание.

1. При одиночном импульсе тока и при температуре 25°С.
2. Измеряется при воздействии одиночного импульса в виде синусоидальной полуволны длительностью 8,3 мс или эквивалентного прямоугольного импульса, с максимальной частотой следования импульсов - 4 имп/мин (метод JEDEC)
3. V_F = 3,5 B для диодов с V_(BR) < 220 B, и VF = 5,0 B макс. для диодов с V_(BR) > 220 B.

Таблица 3. Электрические параметры

Примечание. В таблице указаны только параметры диодов с минимальными и максимальными значениями V_(BR).

Тип TVS-диода для конкретного применения выбирается, исходя из рассчитанного значения Р_{имп. мах.} с учетом длительности импульса и его формы. При этом V_обр. должно быть равно напряжению, действующему в цепи или превышать его с учетом максимального допуска.

Обычно Р_{имп. мах.} рассчитывается с учетом воздействия импульса — 10/1000 мкс (t _ф =10 мкс, t_и=1000 мкс) показанного на рис. 4.

Рис. 4

Но в реальных условиях эксплуатации в зависимости от характера перенапряжения параметры импульса могут иметь другие значения. Поэтому во многих международных и национальных стандартах указаны иные параметры импульса. Например, в стандарте МЭК 801-5 для линий передачи данных описан импульс перенапряжения с формой 1,2/50 мс.

Рисунок 5 иллюстрирует зависимость максимально допустимой импульсной мощности от длительности импульса перенапряжения для TVS-диода TRANSZORB® типа SMBJ12A с Р_{имп. мах.} = 600 Вт. Обычно производители приводят подобные графики в спецификациях на все типы и серии TVS-диодов. На этом графике видно, что при увеличении длительности импульса перенапряжения свыше 1000 мкс снижается значение максимально допустимой импульсной мощности TVS-диода, и наоборот, при снижении длительности максимально допустимая мощность увеличивается. При воздействиях более коротких импульсов TVS-диод выдержит более высокий импульсный ток (I_P). При длительности импульса 50 мс TVS-диод SMBJ12A выдержит импульсный ток, превышающий номинальный в 3,5 раза.

Рис. 5. Зависимость макимально допустимой импульсной мощности от длительности импульса перенапряжения

Этот метод может применяться для расчета значений максимально допустимой мощности и импульсного тока TVS-диодов с любыми номинальными значениями Р_{имп. мах.} (400 Вт, 500 Вт, 1,5 кВт, 5 кВт).

Если мощность одного TVS-диода не удовлетворяет заданным требованиям по Римп. мах., их соединяют последовательно. При двух последовательно соединенных TVS-диодах мощность удваивается и т. д. Допускается последовательное соединение любого числа TVS-диодов. При этом разброс по V_проб. каждого прибора не должен превышать 5 % , что гарантирует равную нагрузку на последовательно соединенных приборах. Если невозможно достичь нужной мощности при последовательном соединении, допускается параллельное соединение. Для гарантированной загруженности приборов по мощности необходимо точное их согласование по V_огр. (не более 20 мВ). Допускается также смешанное соединение TVS-диодов.

TVS-диоды наряду с основным назначением могут использоваться как стабилитроны (диоды Зенера). При этом необходимы дополнительные данные по значениям максимально допустимой постоянной рассеиваемой мощности и динамическим сопротивлениям при минимальном и максимальном токах.

За рубежом TVS-диоды впервые были разработаны в 1968 году фирмой GSI (General Semiconductor Industries) для защиты устройств связи от грозовых разрядов. В дальнейшем этой фирмой были созданы TVS-диоды с напряжением пробоя от 6,8 до 200 В с импульсной мощностью 1,5 кВт для защиты авиационного оборудования, аппаратуры связи от воздействия ЭМИ искусственного происхождения, для защиты микросхем от внутренних электрических нагрузок по напряжению, от статического электричества, а также TVS-диоды с малой индуктивностью и емкостью. В настоящее время в мире выпускается около 3000 типономиналов TVS-диодов с импульсной мощностью от 0,15 до 60 кВт на напряжение пробоя от 6,0 до 3000 В.

TVS-диоды TRANSZORB® фирмы General Semiconductor

TVS-диоды TRANSZORB® фирмы General Semiconductor выпускаются в различных исполнениях, с учетом условий эксплуатации и области применения. Дискретные диоды в пластиковом корпусе с гибкими выводами, предназначенными для монтажа в сквозные отверстия, выпускаются со значениями максимальной допустимой импульсной мощности 400 Вт, 500 Вт, 600 Вт, 1,5 кВт и 5 кВт. Диоды с наибольшими значениями максимальной допустимой импульсной мощности обычно используются для установки в цепях питания. При более низких значениях мощности в приложениях с высокой плотностью расположения компонентов используются диоды и диодные сборки, которые выпускаются как в DIP-корпусах, так и в корпусах для поверхностного монтажа. Они выпускаются со значениями максимальной допустимой импульсной мощности 400 Вт, 500 Вт, 600 Вт, 1,5 кВт и 5 кВт. Диодные сборки обычно используются на линиях передачи данных для защиты портов ввода/вывода от электростатических разрядов. Кроме того, выпускаются специализированные низкоемкостные TVS-диоды, применяемые в цепях с высокой скоростью передачи данных с целью предотвращения затухания полезных сигналов. TVS-диоды TRANSZORB® выпускаются для работы в цепях с рабочими напряжениями от 5 до 376 В. Ввиду широкого диапазона возможных рабочих напряжений и допустимых номинальных мощностей (так же, как и перенапряжений) TVS-диоды TRANSZORB® используются в различных электронных схемах и приложениях.

Дискретные TVS-диоды TRANSZORB®

Дискретные TVS-диоды TRANSZORB® предназначены для защиты чувствительных электронных компонентов от импульсных перенапряжений, вызываемых электростатическими, коммуникационными и грозовыми разря- дами. Все серии дискретных TVS-диодов выпускаются с гибкими выводами для монтажа в сквозные отверстия, в пластиковом корпусе с защитой полупроводникового перехода пассивирующим слоем стекла. Рекомендуемая температура пайки диодов — 265 °C/10 с.

Они характеризуются широким диапазоном рабочих напряжений (от 5,0 до 376 В) и напряжениями ограничения (от 6,0 до 440 В), малым временем срабатывания (для симметричных диодов — 1x10-9 с), способностью подавлять импульсы перенапряжений высокой мощности (до 1500 Вт при форме импульса 10/1000 мкс). Это позволяет использовать их для защиты телекоммуникационного оборудования, цифровых интерфейсов и др. в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки.

TVS-диоды TRANSZORB® серии 1.5KE6.8–1.5KE440CA (1N6267–1N6303A)

Диоды серии 1,5КЕ6,8–1,5КЕ440СА выпускаются в симметричном и несимметричном исполнении. В обозначении симметричного диода добавляется суффикс С или СА. Например, 1,5КЕ6,8С, 1,5КЕ440СА. Серия 1N6267– 1N6303A выпускается только в несимметричном исполнении.

Габаритный чертеж	Условные обозначения диодов

Рис. 6. Зависимость Pppm от td для серий дискретных TVS-диодов серии 1.5KE6.8-1.5KE440CA (1N6267-1N6303A)

Рис. 7. Зависимость Pppm или Ipp от Т для серий дискретных TVS-диодов серии 1.5KE6.8 - 1.5KE440CA (1N6267 - 1N6303A)

Рис. 8. Зависимость С от V(BR) для серий дискретных TVS-диодов серии 1.5KE6.8 - 1.5KE440CA (1N6267 - 1N6303A)

TVS-диоды TRANSZORB® серии ICTE 5.0–ICTE 15C (1N6273–1N6377 и 1N6382–1N6385)

Диоды выпускаются в симметричном и несимметричном исполнении. Электрические параметры несимметричных и симметричных диодов этой серии указаны в табл. 4 и 5.

Таблица 4. Электрические параметры несимметричных диодов

Таблица 5. Электрические параметры нессимметричных диодов

Таблица 6. Электрические параметры симметричных диодов

Примечание.

1. Симметричные диоды в обозначении имеют суффикс "С".
2. Диоды ICTE-5 и 1N6373 выпускаются только в несимметричном исполнении.
3. Указанное минимальное напряжение пробоя имеет допуск ±1 Вольт.
4. Коэффициент ограничения (К_огр.): не превышает 1,33 при мощности равной Р_{имп.макс} и не превышает 1,2 при 0,5 Р_{имп.макс.} К_огр. - отношение V_C/V_BR.

Габаритный чертеж, предельные эксплуатационные характеристики аналогичны описанным для серии 1.5KE6.8–1.5KE440CA (1N6267– 1N6303A).

Условные обозначения диодов 1N6273– 1N6377 и 1N6382–1N6385 соответствуют обозначению серии 1Nхх.

Условное обозначение диодов серии ICTE-5.0 - ICTE-15C

Графики, показывающие зависимость максимальной допустимой импульсной мощности (Pppm) от длительности импульса (td) и зависимость Pppm (Ipp) от температуры окружающей среды (T), аналогичны приведенным для диодов серии 1.5KE6.8–1.5KE440CA (1N6267–1N6303A).

Рис. 9. Зависимость С от V(BR) для несимметричных дискретных TVS-диодов серии ICTE5.0 - ICTE15 (1N6273 - 1N6377)
Рис. 10. Зависимость С от V(BR) для симметричных дискретных TVS-диодов серии ICTE8.0С - ICTE15С (1N6282 - 1N6385)

kad2001@mail.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы