Túlfeszültség elleni védelem TVS diódával
Az ESD, EFT, surge és elsősorban autóiipari alkalmazásokban a Load Dump jellegű tranziensek olyan potenciális fenyegetést jelentenek az elektronikai eszközök I/O portjai számára, ami elleni védekezésről az áramkör tervezésekor feltétlenül intézkedni kell.

 

A TVS diódákról szóló általános ismertetés mellett szeretnénk néhány alklamazási példán keresztül bemutatni a tranziens szupresszor diódával való védekezés alapjait. Az elektronikai eszközök a külvilág felé I/O portokon keresztül kommunikálnak, melyek megfelelő védelem hiányában támadási felületet jelentenek az elektrosztatikus kisülés (ESD), az elektronikus gyors tranziens (EFT) vagy surge jellegű túlfeszültségek számára, potenciális fenyegetést jelentve a belső áramköri elemekre. Az alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök ráadásul nem csökkenthetik a port adatátviteli sebességét.

A tradicionális, egyszerű kondenzátoros védelem, és nagy kapacitással rendelkező (nagy méretű) túlfeszültségvédő eszközök a nagy frekvencia miatt nem használhatók, mert az adatvonalak kapacitását minimális szinten kell tartani, ellenkező esetben a védelmi eszköz kapacitív impedanciáia, ami a frekvencia reciprokával arányos ( ZC~1/2πfC) olyan kis értékű lesz, hogy az jelvesztéshez vezet. Ezért olyan kisméretű, kis kapacitású, de nagy energia elnyerésére alkalmas és pontos megszólalási feszültségű eszköz alkalmazására van szükség, ami egyaránt alkalmas a különböző túlfeszültség típusok vonatkozásában a szabványok előírásainak betartatására és emellett a NYÁK infrastruktúra költségét is alacsony szinten tartja.

Egy népszerű megoldás erre a TVS dióda használata. A félvezető szilícium TVS diódák a Zener diódákhoz hasonló, de azokénál nagyobb keresztmetszetű P/N átmenettel rendelkeznek, melynek mérete arányos a kezelni kívánt teljesítménnyel. Ezek az eszközök olyan „clamping” eszközök, melyek alacsony impedanciás „Avalanche” P/N átmenetük megnyitásával a feszültségtüskéket a mögöttes elektronika által elviselhető mértékű szintre korlátozzák.

A TVS dióda feszültségkorlátozó eszköz

 

 

Egyirányú TVS dióda karakterisztika

 

TVS dióda U-I karakterisztikája nagyon hasonlít a Zener diódáéra, az alapvető különbség az, hogy míg a Zener dióda feszültség-stabilizálásra, addig a TVS dióda kifejezetten tranziens túlfeszültség elleni védelemre lett tervezve, hiszen a túláramot azonnal söntöli és a védendő áramkörre jutó maradék áramot elviselhető szintre korlátozza. Ahhoz, hogy hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek a védőeszköz számára, a mérnökök választhatnak nagyobb méretű tokozást, mely jobban disszipálja a keletkező hőt, mert chipmérettől egészen nagy modulokig találhatunk TVS diódát a gyártók kínálatában.

Ugyan kisebb hibaáram engedhető meg a TVS dióda esetén, mint a fém-oxid varisztoroknál, a maximális feszültség és áramértékek több eszköz soros, vagy párhuzamos kapcsolásával tetszőlegesen növelhető. A mai TVS dióda lehetővé teszi a viszonylag nagy surge jellegű áramok elvezetését. A TVS dióda meghibásodásakor rövidzárba kerül. A félvezetős technológia miatt működése rendkívül gyors és precíz, mert a válaszidő az elektronok sebességével arányos.

Mivel a helyesen megválasztott túlfeszültség védő normál üzemi körülmények közt láthatatlan kell hogy legyen, az esetleges nagy adatátviteli frekvenciákon ultra alacsony – pF nagyságrendű – kapacitású TVS diódákra van szükség, ilyen például a ProTek Devices GBLC08CLC eszköze, melynek vonali kapacitása mindössze 0.4 pF. A szupresszor dióda unidirekcionális szervezésben DC vonalakhoz éppúgy használható, mint bidirekcionális változatokban váltakozó áramú applikációkhoz.

 

 

Szemben a fém-oxid varisztorokkal (MOV), melyek csak kezdetben, az első néhány megszólalásig mutatnak kielégítő szivárgási viselkedést a TVSD nem öregszik, a szivárgási áram karakterisztikája kiváló marad az idő előrehaladtávalq is. Válaszideje a nano-szekundum nagyságrendbe esik, és működését alacsony clamping faktor (~1.33) jellemzi.

Túlfeszültségtípusok és szabványok - ESD, Surge, Load Dump

Az IEC 61000-4-2 szabvány definiálja az emberi test által keltett ESD esemény lefolyását, és feszültség tekintetében négy szintet különböztet meg, egészen 8kV kontakt és 15kV levegő kisülés értékig. A szabvány célja, hogy a tervezőket segítse az elegendő mértékű védelem kiválasztásában.

 

 

Az emberi test modell alapján definiált tranziens lefolyása az ábra szerinti, a felfutás 1 ns alatt és a lefutás 60 ns körüli időtartamot vesz igénybe. Sok esetben találkozunk azzal a jelenséggel, hogy a tervezőmérnök nem gondoskodik a teljes megoldásra vonatkozó - az előírt szabványnak megfelelő - ESD védelemről, mert az gondolja, hogy elegendő a kiválasztott IC adatlapja szerinti beépített védelem, további védekezésre nincsen szükség.

 

 

A félvezetőgyártók gyakran csak 1-es szintű (Level 1) védelmet (1-2 kV) építienek be az eszközeikbe a gyártás során fellépő zavarok hatásának minimalizálására, azonban a valós körülmények közt fellépő ESD akár 15kV is lehet, ezért a beépített védelmet csak másodlagos szintnek szabad tekinteni és szükség van egy primer védelemre is 8kV kontakt és 15kV levegő kisülés impulzusok ellen.

Az ESD védelem kiválasztásánál figyelembe kell venni a következőket:

• az eszközre jellemző trigger feszültség, mely alatt a védelem láthatatlan

• a védőeszköz ún. „overshoot” feszültsége, ahol az megszólal

• a feszültségkorlát mértéke (clamping voltage), melyre a védőeszköz a kimenetén megjelenő feszültséget korlátozza.

A surge az ESD-nél nagyságrendekkel hosszabb (mikro szekundum nagyságrendű) és nagyobb energiájú zavar, melyet általában villámütés, vagy kapcsolási tranziens okozhat. A villám okozta túlfeszültségek a kültéri elektronikák legkomolyabb ellenségei a maguk 20 kA csúcsáramukkal, mindemellett intenzíven változó elektromos és mágneses tereket keltenek, melyek a közeli adat- és tápvezetékekbe jelentős feszültséget indukálnak, melyek aztán a kapcsolt készülékekben kárt tehetnek.

Általában a hatékony védekezéshez kétszintű védelemre van szükség, a primer rendszer „crowbar” jellegű túlfeszültségvédelmet tartalmaz, ezek az eszközök az energia nagy részét magukon keresztül söntölik a föld felé, még a második vonalban „clamping” eszközökkel lehet védekezni az átjutó villám vagy kapcsolás okozta túlfeszültség ellen. Ebben a második vonalban, a beltéri eszközök közelében van létjogosultsága a TVS alapú védelmeknek. A szabványok szerint a primer szakaszban olyan eszközöket kell választani, melyek az 5kV-nál nagyobb feszültséget és a TSS esetén 250A, GDT esetén 10-20 kA surge áramot is el képesek viselni.

A második vonalban használt TVSD a gyors válaszideje és az alacsony „clamping” feszültsége miatt hatékonyan csökkenti a védendő készülék által elviselhető szintre a primer védelmen átjutó tranzienst, ezzel kompenzálva a GDT nagy megszólalási feszültségküszöbjét. A vonatkozó normák és előírások szerint a másodlagos védelem akár 1500 V feszültséget és 100A (8/20 μs, 10/1000 μs és 10/700 μs hullámformájú) „surge” áramot kell, hogy elviseljen..

 

 

A harmadik kritikus túlfeszültség fajta  az úgynevezett Load Dump  általában úgy keletkezik, hogy nagy induktivitású forrásról a terhelést hirtelen lekapcsolják. Jellemző esete ennek, amikor a gépjármű akkumulátorát véletlenül hirtelen lekapcsoljuk a generátorról, miközben az töltődik. A tekercsekben felhalmozódott energia hosszú, általában milliszekundum nagyságrendű tranziens túlfeszültséget okoz, melyet a felfutás után lassú lefutás és nagy energia jellemez. A jelszint elérheti a 174 V-ot és akár 400 ms is lehet a lefutás ideje.

A gépjárműelektronika-tervezők jól ismerik az ISO 16750 szabványt, mely a közúti gépjárművek elektronikai berendezéseinek vizsgálatát írja le. Az ISO 16750-2 ennek kiegészítése, mely 2012 óta hatályos és a fenti gépjárművek számára potenciálisan veszélyes környezeti hatásokkal foglalkozik, valamint meghatározza a szükséges ellenőrzési teszteket és javaslatokat tesz az egységek beépítési helyére a járműben.

 

 

A szabványban foglaltak szerint  a túlfeszültség mértéke akár 202 V és lefolyása 400 ms is lehet. Feltételezve, hogy a soros ellenállás értéke 1~2 Ohm, a fellépő surge-áram akár meghaladhatja az 50 Ampert 350 ms hosszan, ezzel a tervezőknek tisztában kell lenniük. A szabvány előírásainak való megfeleléshez 10 impulzusból álló percenként ismételt tesztet kell kiállni a Load Dump elleni védelemnek úgy, hogy közben ekkora áramot kell tudni kezelni anélkül, hogy az ellenállás változna (drift) a vonalon.

A védekezés egyik lehetséges módja az automatkus kapcsolás, a tranziens megjelenésekor a védelem meghatározott időre lekapcsolja a DC-DC konverter és az egyéb mögöttes elektronika bemenetéről a feszültséget, majd fix késleltetéssel a tranziens feltételezett lefutása után visszakapcsolja azt. Ez a soros Load Dump védelem általában precíziós programozható feszültség referenciát használ a pontos leválasztáshoz. Egy ilyen elektronika általában számos komponensből áll és bonyolult felépítésű. Ha lenne olyan védekezés amely a felszabaduló energiát képes elnyelni, akkor lényegesen egyszerűsödne a feladat.

 

 

A ProTek Devices a tápfeszültség félvezető tranziens szupresszor diódával való söntölése útján ad választ erre a kihívásra, olyan diszkrét komponenst alkotott, mely – az ISO 16750-1 előírásainak megfelelően - képes kezelni tíz egymást követő alkalommal a 350-400 ms hosszan tartó 30-60A nagyságú surge áramot tíz percen keresztül.

Ez a diszkrét TVS diódás Load Dump elleni védelem jelentős előnyökkel bír:

• egyszerűsített áramkör – a korábbi 16 komponens egy diszkrét alkatrésszel helyettesíthető

• alacsony indulási költségek – rövidebb BOM, alacsonyabb gyártásindítási költségek

• kisebb nyomtatott áramköri lap – DO218AB tokozás

• alacsonyabb szállítási határidő, mert csak egy terméket kell beszerezni

•kiváló MTBF kalkulálható: az egyetlen DO218AB tokozású alkatrész sokkal kevesebb hibalehetőséget jelent

• a gyártási költségek a kevésbé bonyolult tesztállomás szükségessége miatt is csökkenthetők.

A fenti táblázatban összefoglaltuk az  elektronika egyik legfontosabb területén, a járműelektronikában előforduló tranziens túlfeszültségek jellemzőit, az előfordulásuk gyakoriságát és legfontosabb előidéző okaikat, hogy áttekintést adjunk az áramkörtervezéskor figyelembe venni szükséges feladatokról.

Adatvonalak túlfeszültség védelme

A tápegységekben megtalálható nagyszámú induktív és kapacitív passzív komponens jelenléte miatt ezek az eszközök általában immunisak az ESD-re, a tápvonalakat surge és load dump ellen szokták védeni. Az adatvonalakon alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök kapacitása azonban komoly problémát jelent magas baud rate esetén. A soros ellenállás a terhelés kapacitásával együtt alkotja ez első szűrőt, mely lassítja a jel fel és lefutását. A hatásos ellenállás csökkentése lehetséges a réz keresztmetszetek növelésével, de a kapacitás csökkentése jelenti az igazi megoldást a nagy sebességek eléréséhez.

CAN busz védelme TVS diódával

A CAN-Busz egy üzenetalapú soros buszrendszer, mely elsősorban jármű- , ipari és orvoselektronikai alkalmazásokhoz került kifejlesztésre. Adatátviteli sebessége elérheti az 1Mbit értéket, általában 40m alatti hosszúságú fizikai hálózaton.  A ProTek integrált TVS diódás túlfeszültségvédelmi megoldást fejlesztett ki ESD és a kapcsolási nagyfeszültségű tranziensek elleni védekezésre.  A  PAM1CAN eszköz mindkét adatvonal védelmét ellátja.

Jellemzői

• IEC 61000-4-2 ±8kV érintés, ±15kV levegő kisülés • IEC 61000-4-4 EFT 40A, 5/50ns • IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 3A @ 8/20μs • AEC-Q101 tanúsított

 

• 1 x PAM1CAN SOT-23 tokozás • Stand-Off feszültség VWM: 24 V • Letörési feszültség BVMIN: 25.4 V • VC @ IP: 70V @ 3A • Szivárgási áram IR: 0.05μA • Max. kapacitás: 17pF

FlexRay busz védelme TVS diódával

A FlexRay busz két egymástól független csatornája nagyfokú hibatűréssel rendelkező nagy sebességű, szinkron és aszinkron átviteli módot is támogató rendszert alkot, mely csatornánként 10Mb/s sávszélességgel rendelkezik, a CAN busz sebessegének tízszeresét (két csatorna esetén hússzorosát) elérő sebességgel kommunikál. Védekezni általában ESD és rövidzár ellen szükséges.

Jellemzői

• IEC 61000-4-2 ±8kV érintés, ±15kV levegő kisülés • IEC 61000-4-4 EFT 40A, 5/50ns • IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 3A @ 8/20μs • AEC-Q101 tanúsított

 

• 1 x PAM1FLEX SOT-23 tokozás • Stand-Off feszültség VWM: 24 V • Letörési feszültség BVMIN: 25.4V • VC @ IP: 70V @ 3A • Szivárgási áram IR: 0.05μA • Max. kapacitás: 11pF

LIN busz védelme TVS diódával

A LIN busz a járműelektronikában az egyes részrendszerek közti soros hálózati kommunikációra használt egyvezetékes max 40 méteres és 19,2 vagy 20  kbit/sec sebességű master – slave hálózat ( max 16 pont) Védekezni általában ESD és rövidzár ellen szükséges.

 

Jellemzői

• IEC 61000-4-2 ±8kV érintés, ±15kV levegő kisülés • IEC 61000-4-4 EFT 40A, 5/50ns • IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 24A @ 8/20μs •AEC-Q101 tanúsított

 

• 1 x PAM1LIN SOT-323 tokozás • Stand-Off feszültség VWM: 15 & 24 V • Letörési feszültség BVMIN: 17.2 & 25.5V • VC @ IP: 44V @ 5A & 70V @ 3A • Szivárgási áram IR: 0.001μA • Max. kapacitás: 17pF

Tápvonalak védelme

Tápvonalak védelme esetén nincs szükség extrém kis vonali kapacitásértékű TVS diódák alkalmazására, itt inkább a nagy energiájú és esetenként hosszú lefolyású tranziensek jelentik a kihívást a komponesfejlesztők számára.

Lítium-Ion  akkumulátoros rendszerek védelme TVS diódával

Az intelligens lítuim-ion akkumulátor rendszerek túláramvédelmére és a vezérlő chip ESD védelmére fejlesztette ki a ProTek a VSMF05LC és a PLRO1206 eszközöket. Mivel eredendően üzembeni csatlakoztatás jellemzi az ilyen rendszereket, ESD, rövidzár és hibás külső eszköz használatából eredő tranziensek elleni védekezésre van szükség

 

Jellemzői

• IEC 61000-4-2 ±8kV érintés, ±15kV levegő kisülés • IEC 61000-4-4 EFT 40A, 5/50ns • IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 2A @ 8/20μs

 

• 1 x VSMF05LC SOT-953 tokozás • Stand-Off feszültség VWM: 5 V • Letörési feszültség BVMIN: 6 V • VC @ IP: 12V @ 2A • Szivárgási áram IR: 1μA • Tip. kapacitás: 9pF

Load Dump elleni védekezés TVS diódával

A gépjármű-elektronikát tervező mérnökök megszokásból általában névleges soros Ri értéket (2 Ohm 12 V és 4 Ohm 24 V esetén), valamint alacsony td időbeli lefolyást választanak (40ms 12 V és 100ms 24 V esetén) a túlfeszültség védelem méretezésekor, a Load Dump tranziens hatására fellépő surge áram korlátozására. Sok esetben alacsonyabb teljesítményre specifikált SMCJ (1.5kW) vagy SMDJ (3kW) TVS eszközökkel operálnak, de a kérdés az, hogy ez vajon elegendően robosztus védelem a ma gépjárműjében is, ahol az elektronikai egységek száma megsokszorozódott?

 

 

A ProTek Devices PAM8S sorozata egyedülálló megoldást nyújt az ISO 16750-2 Load Dump teszt előírásainak megfelelő túlfeszültség védelemre, miközben a mai megoldásokhoz képest a lehető legalacsonyabb értéken (48.4 V-on) tartja a védendő vonalra jutó feszültséget. Megfelel az AEC-Q101 megbízhatósági szabványnak is. A sorozat 15 nagy-teljesítményű TVS mátrixból áll, ezzel lefedi az ipar igényeit a 14-43 V záróirányú stand-off feszültség-tartományon.

A RoHS és REACH elvárásainak megfelelő JEDEC DO-218AB tokozásban, Tj = 175°C átmeneti hőmérsékletű TVS eszközök kaptak helyet, melyek így tökéletesen megfelelnek a nagy megbízhatóságot igénylő autóipari feladatokra. Ez a diszkrét áramköri megoldás tökéletes Load Dump elleni védelmet nyújt és emellett a gyártási költségek csökkenése útján további előnyökkel bír a vezető IC gyártók korábban ismertetett védelmi módszereivel szemben, elsősorban a helytakarékosság, és az áramköri lapok valós bekerülési költségének minimalizálása útján.

 

Cikkünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH közreműködésével készült. Szerzője Kiss Zoltán okleveles villamosmérnök, kelet-európai értékesítési vezető és Ian Doyle a ProTek Devices marketing menedzsere.
 
Értékesítési iroda: H-1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A.
 
E-mail: z.kiss@endrich.com
 
Web: www.endrich.com
 
További konzultációért és mintákért, adatlapokért keresse Kiss Zoltánt!

 

A robotikai ipar kétszámjegyű növekedése várható
Rövidülő termékciklusok, hálózatosított termelési szekvenciák, gyorsan változó piacok és megcsappanó források – ez csak néhány azok közül a paraméterek közül, melyek az új piacgazdaságot formálják majd.
Digitalizáció a kórházakban
Gyorsabb digitalizációt, hatékonyabb erőforrás-gazdálkodást és javuló betegellátást eredményezhet az egészségügyi intézményekben a Schneider Electric és a ThoughtWire stratégiai partnersége.
Nőknek is szabad a pálya!
Hogyan lesz egy háromgyerekes fizikusból programozó egy innovatív ITC-cégnél? Közgazdászok, jogászok és fizikusok is részt vettek már a kifejezetten kisgyerekes anyákat célzó programozó átképzésben.
Tartalmában és módszertanában is átalakul a szakképzés
Juttatásai az ösztöndíjak és a munkaszerződések rendszerén alapulnak majd, és módosul a szakképzésben oktatók jogállása is.
Mobil laborrobotok a jövő kórházaiban
A mobilis és önálló munkára képes YuMi laboratóriumi robotot arra tervezték, hogy együtt dolgozzon az egészségügyi és laboratóriumi szakemberekkel.