ОГРАНИЧИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ: TVS-ДИОДЫ Littelfuse

Для защиты радиоэлектронных устройств от перенапряжений, помимо традиционных плавких предохранителей, простейших LC- и RC-фильтров, широко используются специализированные приборы (например, газовые разрядники, металлооксидные варисторы и т.п.), а также полупроводниковые ограничители напряжения (Transient Voltage Suppression Diode – TVS). В статье рассматриваются характеристики и особенности TVS-диодов, выпускаемых компанией Littelfuse.
Компания Littelfuse – ведущий производитель пассивных электронных компонентов для «защиты» разного рода электротехнических устройств. Одно из направлений – производство TVS-диодов, основное назначение которых – защита от перенапряжений .

ВВЕДЕНИЕ

В реальных условиях эксплуатации в электрических цепях электротехнического оборудования могут возникать различные виды перегрузок. Наиболее часто в процессе эксплуатации сталкиваются с перенапряжениями, вызванными электромагнитными импульсами естественного (мощные грозовые разряды) и искусственного происхождения (излучения радиопередающих антенн, высоковольтных линий передачи электроэнергии, сетей электрифицированных железных дорог и т.п.). Кроме того, перенапряжения могут возникать вследствие переходных процессов при работе оборудования, например, при коммутации индуктивных нагрузок или в результате воздействия электростатических разрядов.
Воздействие электромагнитных импульсов любого происхождения на электронные компоненты приводит к изменению их параметров, как за счет непосредственного поглощения энергии, так и вследствие воздействия на них индуцированных в электрических цепях оборудования импульсов напряжения и тока.
Устройства защиты от перенапряжений предотвращают протекание импульсов тока через защищаемое устройство вследствие замыкания его на общий провод. Они также ограничивают напряжение до значений, совместимых с характеристиками подсоединенных устройств. Основные параметры устройства защиты от перенапряжений – допустимая мощность рассеивания (т.к. протекают большие токи) и напряжение ограничения.
TVS-ограничитель напряжения – это, по сути, полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ). В симметричных TVS-диодах используется как обратная, так и прямая ветвь ВАХ. TVS-диод предназначен для защиты от перенапряжения радиоэлектронных устройств и компонентов.

При воздействии импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного уровня, при этом ток протекает через диод на общий провод, минуя защищаемую цепь (устройство). Принципы работы TVS-диода и его ВАХ приведены на рис. 1. В идеальном случае TVS-диод представляет собой разомкнутую цепь с током утечки. Если импульсное напряжение превышает пороговое напряжение, ток переходного процесса протекает через TVS-диод, при этом рассеиваемая мощность ограничивается максимально допустимой температурой кристалла. Аналогичный принцип действия имеют и классические кремниевые стабилитроны (диоды Зенера). TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных кратковременных импульсов перенапряжения, на что и указывает их название (transient voltage suppression diode). Как правило, стабилитроны применяются в качестве источников эталонного напряжения и не предназначены для работы при больших импульсных нагрузках. Для правильного выбора и эффективного использования TVS-диодов необходимо иметь достоверную информацию о возможных источниках и параметрах кратковременных электрических помех.

Рис. 1. Вольтамперные характеристики TVS-диодов

ИСТОЧНИКИ ПОМЕХ

Кратковременные электрические помехи возникают в результате внезапного выброса предварительно запасенной электромагнитной энергии в различных физических объектах. В частности, в результате проявления природных явлений, например, грозовых разрядов (молний). Кратковременные электрические помехи могут возникать в процессе работы разных электронных и электромеханических устройств (электродвигателей, генераторов, и т.п.), а также могут быть вызваны внешними электромагнитными импульсами или электростатическими разрядами.

Повторяющиеся кратковременные электрические помехи, как правило, возникают при эксплуатации электродвигателей, генераторов, или при коммутации мощных индуктивных нагрузок. Случайные помехи зачастую бывают вызваны молниями и электростатическими разрядами (ESD), которые происходят непредсказуемо, и, что может потребовать тщательного мониторинга для измерения уровня помех, особенно если индуцирование помех происходит в цепях, расположенных на печатной плате.
В результате многочисленных измерений с использованием общепринятых методов мониторинга и тестирования, были определены ориентировочные характеристики некоторых переходных процессов (табл. 1). В соответствующих стандартах (например, IEC 61000, IEC 62305 и др.) приводятся уточненные значения параметров тестовых импульсов, используемых при испытании электротехнического оборудования на устойчивость к воздействию кратковременных импульсов.

На рис. 2 приведены обобщенные характеристики импульсов тока, вызванных молнией и электростатическим разрядом. Обычно нарастающий фронт изменяется по двойному экспоненциальному закону. При разряде молний возникают очень большие токи (десятки килоампер) и эти токи протекают очень короткое время (несколько микросекунд). При длине проводника 1 м и длительности нарастающего фронта 8 мкс генерируемое на проводнике напряжение может составлять 1000 и более вольт (V = L·di/dt). Поэтому длина соединительных проводников между устройством защиты и токоведущими проводниками должна быть минимальной, поскольку импеданс этих проводников может существенно снизить эффективность защиты.
Результат миниатюризации электронных компонентов – снижение их устойчивости к приложенному электрическому напряжению. Как правило, современные электронные компоненты работают при низких напряжениях питания. В микропроцессорах предусматриваются соответствующие структуры по защите от перенапряжений, обеспечивающие проводящие токовые пути, однако они не в состоянии справиться с большими токами от электростатических разрядов, что, в конечном счете, может приводить к многочисленным отказам.

Рис. 2. Характеристики импульсов тока, вызванных молнией
и электростатическим разрядом

Электростатический разряд генерируется в процессе повседневной деятельности человека (табл. 2, рис. 3) в результате неравномерного распределения положительных и отрицательных зарядов между объектами.

Таблица 2. Параметры электростатического заряда

Рис. 3. Электростатический разряд

Электростатический разряд характеризуется малой длительностью нарастающего фронта и очень высоким пиковым напряжением, которое намного превосходит максимально допустимые значения для электронных компонентов, изготовленных по стандартной полупроводниковой технологии.
При импульсном разряде статического электричества возникают помехи, которые могут вызвать сбой в работе компьютеров, принтеров, телефонов или других электронных приборов. Кроме того, электростатический разряд может оказывать разрушительное действие на электронные компоненты и узлы. Разряды статического электричества, которые оператор порой не замечает, зачастую оказываются достаточными для повреждения полупроводниковых элементов.
Заряды статического электричества возникают при ходьбе по напольному покрытию, соприкосновении с изделиями из синтетических материалов и т.п. В зависимости от взаимодействующих материалов заряды могут иметь положительную или отрицательную полярность. В зависимости от типа обуви и вида напольного покрытия, а также влажности воздуха тело человека может заряжаться до 30 кВ. Обычно возникающий при ходьбе по коврам потенциал имеет величину 5…15 кВ. Однако даже потенциала 2 кВ достаточно для того, чтобы повредить полупроводниковые компоненты. Накопленная энергия в зависимости от емкости заряженного объекта (емкость тела человека примерно 150 пФ) может составлять несколько десятых долей Джоуля. Проблемы проявляются при импульсном разряде между заряженными объектами, в течение которого возникают импульсы тока с длительностью фронта менее 1 нс и связанное с ним изменяющееся магнитное поле, что, как правило, и обуславливает нежелательные последствия. Во многих случаях для моделирования разряда статического электричества можно использовать простую эквивалентную схему (рис. 4). Величина сопротивление Ri зависит от источника помех, например, для тела человека Ri = 1 кОм, для малогабаритной мебели – 10…50 Ом. В зависимости от постоянной времени цепи разряд может иметь колебательный или апериодический характер. Если источник разрядного тока тело человека, то параметры тока различаются в зависимости от пути его протекания. Например, через ногтевую фалангу пальца, поверхность руки или инструмент (например, отвертку), удерживаемый в ладони. При этом возникающая искра характеризуется нелинейными свойствами.

Прямое попадание молнии всегда разрушительное, однако, обусловленные молнией переходные процессы в электрических цепях не являются результатом непосредственного попадания в объект. Создаваемое при разряде молнии магнитное поле индуцирует импульсы напряжения в близлежащих электротехнических объектах (электрических кабелях и т.п.).

Рис. 5. Ориентировочные параметры молнии

Например, молния облако-облако оказывает влияние не только на кабели воздушных линий передачи, но также на кабели, проложенные под землей. Даже в электрическом кабеле, удаленном на расстояние 1.6 км от молнии, может индуцироваться напряжение амплитудой до 70 В. Молния облако-земля (рис. 5) вызывает большие помехи.
Перенапряжения в цепях электропитания, как правило, возникают в процессе эксплуатации электродвигателей, генераторов, или при коммутации индуктивных нагрузок. В последнее время все чаще появляются разнообразные автономные GPS/GSM/GPRS- и другие устройства, ориентированные на эксплуатацию в автотранспортных средствах. Причем большинство таких устройств устанавливается не на этапе промышленной сборки автомобиля, а при модернизации его электронного оборудования с целью обеспечить дополнительные функции. Для защиты устройств от помех и правильного выбора точки подключения к системе энергоснабжения, что позволит избежать проблем в процессе их эксплуатации, необходима информация о возможных источниках перенапряжения в автомобиле, а также их параметрах.

TVS-ДИОДЫ

Компания Littelfuse выпускает несколько серий TVS-диодов (TPSMA6L, TPSMB, TPSMC, TPSMD, TP6KE и SLD), ориентированных на использование в автотранспортных средствах. Все они соответствуют рекомендациям соответствующих стандартов.

Рис. 6. Перенапряжения в бортовой сети питания автомобиля

Возможно, наиболее агрессивной средой (рис. 6) для электронных приборов является система электроснабжения автотранспортных средств и не только из-за наличия большого числа силовых установок, но и благодаря человеческому фактору. Нельзя исключить возможность непреднамеренного изменения полярности при подключении аккумулятора, а также, хотя и редкие, ситуации, когда приходится испытывать силу и выносливость мышц в процессе «холодного» запуска двигателя. Высоковольтные выбросы напряжения малой длительности (единицы микросекунд и менее) вызваны, как правило, коммутацией индуктивных нагрузок – электродвигателей управляющих механизмов (топливного насоса, стеклоподъемников и т.п.), компонентов высоковольтной системы зажигания и других, содержащих катушки индуктивности.
Общие требования, методика проверки кондуктивной помехозащищенности автомобильного оборудования, а также модели помех, имитирующие кондуктивные помехи в системе электроснабжения, разработаны Международной организацией по стандартизации ISO (International Organization for Standardization) и приведены в стандарте ISO 7637 (Road vehicles – Electrical disturbances from conduction and coupling). Требования к форме и параметрам генерируемых тестовых импульсов,предназначенных для проверки кондуктивной помехозащищенности автомобильного оборудования, приведены в стандарте ISO 7637-2-2011 (Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only). Для тестирования оборудования разработаны несколько моделей импульсов (1, 2а/b, 3а/b, 4, 5а/b), имитирующих выбросы напряжения в автомобильной силовой электропроводке. Многие ведущие мировые производители (BMW, Honda, Hyundai, Mazda, Nissan, Peugeot, Toyota и др.) для тестирования своего оборудования зачастую применяют более сложные и жесткие тесты.

Рис. 7. Параметры импульса № 1

В табл. 3 и на рис. 7 приведены параметры импульса № 1, на рис. 8 – импульсов № 3a/b. Как видно, амплитуда выбросов напряжения при использовании автомобильного аккумулятора напряжением 24 В может достигать 600 вольт (импульс № 1). На величину выбросов напряжения большое влияние оказывают паразитные параметры электропроводки – распределенная индуктивность и емкость (рис. 8).

Таблица 3. Параметры тестового импульса № 1

На протяжении многих лет ведущие производители электронных компонентов, при их тестировании на устойчивость при воздействии импульса № 5, использовали рекомендации стандарта ISO 7637-2. В 2010 г. этот стандарт был заменен новым ISO 16750-2, в кото- ром рекомендуется использовать другие параметры тестовых импульсов. Сравнительные параметры импульса № 5а даны в табл. 4.
В стандарте ISO 7637-2 приведен также рекомендуемый перечень и условия проведения испытаний оборудования (табл. 5).
В табл. 6 приведены результаты испытаний TVS-диодов компании Littelfuse (TPSMA6L, TPSMB, TPSMC, TPSMD и TP6KE), проведенные в соответствии с рекомендациями стандарта ISO 7637-2. Как следует из данных TVS-диоды TPSMA6L, TPSMB, P6KE, TPSMC и TPSMD, соответственно мощностью 600, 600, 600, 1500 и 3000 Вт удовлетворяют требованиям стандарта.

Рис. 8. Параметры импульсов № 3а/b

Рис. 9. Параметры импульса № 5а

Таблица 4. Сравнительные параметры импульса № 5а

Таблица 5. Рекомендуемый перечень и условия проведения испытаний

В режиме load dump в системах с напряжением бортовой сети 12 В, при сопротивлении генератора Ri > 4.5 Ом, можно применять диоды типа TPSMD. Если Ri < 4.5 Ом, следует использовать более мощные диоды типа SLD.
Перенапряжения в системе электроснабжения автомобиля, возникающие при отключении аккумулятора, и электропитании от генератора (load dump), характеризуются большой энергией. При использовании для ограничения напряжения TVS-диодов уровень тока, протекающего через диод, а, следовательно, выделяемая на нем мощность зависят от внутреннего сопротивления генератора (Ri). В стандарте ISO7637-2 приведена формула для определения внутреннего сопротивления

Ri = 10 х V_h0M х n/0.8 х 1_HoM x 12000,

где, Vhom и LoM – номинальные параметры генератора, n – скорость его вращения (об/мин). При использо­вании генератора с номинальными параметрами 14 В/60 А и n = 3000 об/мин, получаем R_i = 0.73 Ом.

Таблица 6. Результаты испытаний TVS-диодов компании Littelfuse

Таблица 7. Параметры некоторых TVS-диодов серии SLD

Ток протекающий через TVS-диод, определяется из простого выражения:

I = (V_S – V)/R_i,

где, V 一 амплитуда импульса, V 一 падение напря­жения на TVS-диоде.

TVS-диоды серии SLD мощностью 2200/5000 Вт (10×150 мс/10х1000 мкс) соответствуют рекоменда­циям стандартов AEC-Q101, ISO 7637, ISO 16750, IEC- 61000-4-2, IEC 61000-4-4 и ориентированы на примене­ние в автомобильной электронике, в том числе, и для защиты от выбросов напряжения, возникающих при отключении аккумулятора (load dump). TVS-диоды се­рии SLD предназначены для монтажа в отверстия и имеют габаритные размеры 9.1×9.1 мм. Параметры некоторых TVS-диодов серии SLD (Littelfuse) даны в табл. 7. Для TVS-диода SLD15U-017 на рис. 10 приве­дены графики зависимости допустимой амплитуды (VS) импульса № 5а от сопротивления источника и длительности (Td) для систем с на пряжением борто­вой сети 12 В и с учетом рекомендаций соответствую­щих стандартов .

В кроме стандартного набора параметров для TVS-диодов SLD15U-017, SLD15-018 и SLD28U-017, которые могут использоваться в качестве ограничи­телей

напряжения в бортовых системах 12/24 В, при­водится также зависимость допустимой амплитуды импульса от сопротивления генератора (рис. 11).

В автотранспортных средствах для передачи данных между устройствами широко используется высокоскоростная шина CAN (Control Area Network) и низкоскоростная LIN (Local Interconnect Network). Естественно, что на проводах сигнальных цепей вследствие индуктивных и емкостных связей могут возникать нежелательные перенапряжения.

Требования, а также методики проверки помехо­защищенности автомобильного оборудования, в ко­торых моделируются помехи в цепях, не относящие­ся к цепям электропитания, приведены в стандарте ISO 7637-3 (Part 3: Electrical transient transmission by capacitive and inductive coupling via lines other than supply lines).

Рис. 10. Графики зависимости допустимой амплитуды от сопротивления источника и длительности импульсов

Рис. 11. Область безопасной работы TVS-диодов

Рис. 12. Методики испытаний в соответствии со стандартом ISO7637-3

В стандарте описан набор тестов и методики испытаний для оценки помехозащищенности электронного оборудования. Предлагаются три методики: ICC (Inductive Coupling Clamp), DCC (Direct Capacitive Coupling) и CCC (Capacitive Coupling Clamp). Примеры реализации этих методик приведены на рис. 12.

Диапазон напряжений на входе/выходе LIN-приемопередатчиков: -15…24 В. В этом случае для защиты от перенапряжений можно рекомендовать использовать два TVS-диода – TPSMA6L15A и TPSMA6L24A, соответственно с напряжением пробоя 15 и 24 В и допустимой мощностью 600 Вт. Для защиты CAN-приемопередатчиков можно рекомендовать использовать пару симметричных TVS-диодов типа TPSMB24CA или TPSMB15CA (рис. 13).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для защиты цепей электронных устройств от воздействия перенапряжений могут использоваться различные методы защиты. Одним из эффективных схемотехнических способов защиты электротехнического оборудования от воздействия выбросов напряжения является применение TVS-диодов.