Теперь мы знаем и факторы воздействия, от которых защищают TVS диоды, и некоторые, достаточно типовые, примеры построения цепей защиты. Теперь нам нужно разобраться с выбором TVS диодов для этих цепей защиты. И начнем мы с краткого рассмотрения устройства супрессоров, что позволит разобраться (и понять!) с их параметрами .
Как устроен защитный диод?
Вспомним, что TVS диоды являются специфическим вариантом всем известных стабилитронов. Об этом говорилось во второй статье цикла
Но в чем заключается их специфичность? Надеюсь, вы не забыли, что супрессоры ограничивают, поглощают, возникающие в цепях выбросы и перенапряжения? Длительность выбросов мала, это мы рассматривали в первой статье цикла
При этом амплитуда импульсов протекающего через TVS диод тока может быть очень большой. На супрессоре при этом рассеивается значительная мощность, хоть и весьма кратковременная. Это приводит к выделению, иногда довольно значительного, количества тепла, которое не должно привести к выходу супрессора из строя. Где именно выделяется тепло? В области p-n перехода, а не во всем объеме кристалла.
Амплитуда импульса тока через супрессор определяется сопротивлением внешней цепи между источником импульса напряжения и внутренним сопротивлением источника импульса напряжения. Разумеется, имеются ввиду комплексные сопротивления. В первой статье цикла я приводил схему тестирования защиты от статических разрядов, где это хорошо видно. Кроме того, влияет и напряжение, на уровне которого выброс ограничивается супрессором.
Рассеиваемая мощность, как всегда, определяется произведением тока на напряжение. Но это не дает нам всей полноты картины, так как мощность рассеивается очень короткий промежуток времени. Поэтому лучше перейти к понятию энергии импульса. Энергия импульса это мощность за время длительности импульса. Это можно записать так
Ток является функцией времени, это довольно очевидно. Менее очевидно, что и напряжение будет функцией времени. Оно не равно напряжению ограничения, так как дифференциальное сопротивление супрессора не равно нулю. Не стоит пугаться интеграла от мгновенной мощности по времени, нам не потребуется выполнять интегрирование, как мы скоро увидим.
Энергия двух совершенно разных импульсов может быть одинакова. Например, у импульса с малым током, но длительным, и у импульса с большим током, но коротким. Одинаковая энергия означает и одинаковое количество выделившегося тепла. Но количество тепла в единицу времени будет разным. Для длительного импульса мы можем успеть отвести выделяющееся тепло, а для очень короткого уже нет. И это является большой проблемой.
Тепло выделяется о области p-n перехода. Но изменение температуры этой области будет зависеть от ее объема и теплоемкости. Конечно, следует еще учитывать возникающий градиент температур, так как тепло в объеме p-n перехода выделяется неравномерно. Температура перехода за время действия импульса (очень малое время) не должна превысить критическую. При этом мы просто не в состоянии отвести выделяющееся тепло за время действия импульса. Но можем после окончания импульса, за гораздо большее время.
Однако, переход довольно тонкий и мы не можем это изменить. Поэтому на объем области перехода влияет в основном его площадь. То есть, нам необходим переход достаточно большой площади. Мы не можем увеличивать толщину перехода, но можем увеличивать его площадь. И это основная особенность TVS диодов.
Видно, что основу супрессора составляет достаточно массивный брусок n-типа. Это позволяет не только увеличить площадь перехода или переходов, но и поглощать выделяющееся при серии импульсов тепло. Конечно, серия не должна быть слишком большой. Почему не предусмотрена установка на теплоотвод? Как я уже не раз говорил, срабатывание супрессора означает, что "что-то пошло не так", своеобразный форс-мажор. А это не должно происходить непрерывно. Тем не менее, существуют и супрессоры с улучшенным отводом тепла от кристалла, например, SM5A27 (корпус DO-218AB).
Большая площадь перехода приводит к значительной барьерной емкости диода. Это не всегда является существенным недостатком, но для скоростных линий передачи данных создает большие проблемы. Во второй статье цикла мы уже это рассматривали, хоть и кратко.
Большая мгновенная (пиковая) рассеиваемая мощность не означает, что будет большой и средняя рассеиваемая мощность. Для постоянного тока рассеиваемая супрессором мощность не больше, чем у обычных стабилитронов. И это следует четко понимать. Стабилитрон работает в режиме пробоя, причем ток через кристалл протекает непрерывно. В большинстве случаев. Супрессор в нормальном состоянии закрыт. В режиме пробоя он работает лишь кратковременно.
Параметры TVS диодов
Начнем с простых параметров, которые и роднят супрессоры со стабилитронами. Для этого посмотрим на ВАХ супрессоров
Все очень похоже на обычный стабилитрон, если не считать непривычных обозначений, не правда ли? Для однополярный супрессоров рабочей является обратная ветвь ВАХ. Не удивительно, что большинство параметров относятся именно к ней. Но мы начнем с прямой ветви.
- Uf - падение напряжения на прямосмещенном переходе. Только для однополярных диодов
Индекс f здесь обозначает forward. Этот параметр указывается не всегда. Часто указывается лишь максимальный прямой ток через диод. Но о предельных параметрах чуть позже.
Для примера посмотрим на параметры диода SA12A. В прямом направлении падение напряжения не превышает 3.5 В при токе 35 А. Для диода SMF12A параметр Uf в явном виде не указывается, но косвенно говорится о 1.25 В при прямом токе 200 мА. При это иногда может приводиться даже график зависимости от величины прямого тока.
Параметров для обратной ветви гораздо больше. Индекс r у этих параметров означает reverse/
- Ur (Urwm, Urm) - обратное напряжение соответствующее току утечки Ir (Irm). Это именно рабочее напряжение цепи в нормальном состоянии или максимальная амплитуда импульсов. Максимальное обратное напряжение, при котором защитный диод закрыт, через него протекает лишь ток утечки, который может быть и довольно заметным.
- Ubr - напряжение пробоя соответствующее тестовому току It (Ir). Обратное напряжение, при котором диод начинает открываться. При этом напряжении ток начинает резко возрастать. Ubr не является точным напряжением, указываются границы, в которых это напряжение может находиться.
- Uc - обратное напряжение ограничения при пиковом импульсном токе Ipp через диод. До этого уровня может возрасти напряжение в цепи во время действия импульса. Иногда вместо Uc указывается дифференциальное сопротивление Rd диода при токе Ipp.
Обратите внимание, что разные производители могут использовать разные обозначения для одного и того же параметра. Я указал некоторые возможные обозначения в скобках. Это может создавать затруднения для новичков, поэтому весьма рекомендую заглядывать в документацию на конкретный.
Для примера рассмотрим диод SA12A. Для него Ur=12 В, при этом Ir не превышает 1 мкА. Ubr может находиться в диапазоне от 13.3 до 14.7, что заметно выше Ur. При этом ток через диод возрастает лишь до 1 мА, диод только начинает открываться. Uc может достигать 19.9 В при пиковом токе 25.6 А. То есть, при максимальной амплитуде тока через SA12A напряжение на защищаемой цепи имеет полное право возрасти почти до 20 В.
И это нужно обязательно учитывать! Цепь, для защиты которой используются супрессоры, должна быть рассчитана на допустимое напряжение не менее напряжения ограничения супрессора (Uc)!
Очень важно отметить, что это касается абсолютно всех цепей защиты и всех устройств и приборов защиты! Подавляемый выброс напряжения повышает напряжение на защищаемой цепи всегда. Величина повышения может быть разной, но само повышение неизбежно. Это верно даже для защитных тиристоров (их тоже называют TVS), только там повышение будет лишь до срабатывания тиристора.
Для сравнения рассмотрим параметры диода ESDA6V1L. Ur=5.25 В при этом Ir не превышает 20 мкА. Ubr может находиться в диапазоне от 6.1 В до 7.2 В. Вместо It производитель обозначил тестовый ток как Ir, который тоже равен 1 мА. Вместо Uc указано дифференциальное сопротивление Rd=350 мОм при пиковом токе 15 А.
В качестве примера, какой величины может достигать ток утечки, посмотрим на диод SMBJ5V0A. Для него производителем используются немного иные названия параметров. Urwm, вместо Ur, равен 5 В. При этом ток утечки Ir может достигать 800 мкА! А тестовый ток равен 10 мА.
Для двуполярных TVS диодов обе ветви ВАХ будут одинаковыми
При этом уже рассмотренные нами параметры обратной ветви будут применимы для обоих ветвей. А параметр Uf прямой ветви будет неприменим в принципе. Мы не будем рассматривать этот случай отдельно, так как здесь нет ничего нового.
Емкость диодов мы отдельно рассматривать не будем. Это важный параметр для защиты скоростных линий передачи данных, ничего необычного в барьерной емкости нет. Этот параметр есть у любого диода, просто у супрессоров эта емкость значительно больше, так как площадь перехода больше.
И мы наконец до добрались до параметров, которые чаще всего вызывают затруднения у новичков. Вы ведь еще помните тот интеграл, который позволял найти энергию импульса? Я обещал, что нам интегрировать не придется... Что бы понять, как мы можем упростить задачу, вспомним, что выброс напряжения характеризуется быстрым нарастанием и последующим более медленным спадом. Это было в первой статье цикла.
Будем считать выбросы напряжения импульсами имеющими некоторые характерные свойства. Да, то самое быстрое нарастание и более медленный спад. Эти импульсы напряжения приводят к возникновению импульсов тока (тока помехи) через TVS диоды. Импульсы тока будут иметь те же самые характерные свойства, что и импульсы напряжения.
Нам остается добавить фактор времени, что бы можно было говорить об энергии импульсов. Фактор времени будет определяться двумя параметрами. Первый - длительность нарастания. Второй - длительность импульса тока от максимально значения до половинного значения. Примем максимальное значение тока в импульсе за 100%. Это будет так
Да, это некая абстракция импульса тока через супрессор. Да, здесь не учитывается, что после времени tr+td импульс еще далеко не закончен. Но за это время в объеме p-n перехода выделяется основное количество тепла. По сути, мы заменяем реальный выброс тока (и напряжения) на эквивалентный прямоугольный импульс длительностью tr+td. И мы действительно имеем на это право, так как такая замена основана на реальных импульсах и отнюдь не распространяется на общий случай.
Внимательный читатель наверняка спросит, а где же здесь энергия? Ведь на основе этого графика даже о мощности говорить нельзя. Увы, такой внимательный читатель окажется не совсем внимательным...
Что бы это понять вспомним, что у нас точной формы обратной ветви ВАХ. У нас есть лишь два параметра, Ubr и Uc (или Rd). Если нам нужно точно исследовать выделение тепла в зависимости от тока и времени, то этих параметров недостаточно. Но у нас иная задача, нам нужно рассмотреть лишь наихудший случай. Поэтому мы можем считать, что ток через диод всегда достигает максимального значения Ipp, а за напряжение ограничения принять Uc. То есть, мы можем считать напряжение постоянным.
И график мгновенной мощности получится из графика тока простым умножением на константу, что соответствует сдвигу вверх. Но ведь мы на графике использовали не абсолютные значения тока, а относительные. И мощность мы можем использовать относительную. То есть, наш график мгновенной мощности )относительной, как и ток) будет в точности соответствовать графику тока, достаточно лишь заменить Ipp на Ppp. Вот так просто. Да, согласен, небольшое математическое "жульничество" :)
Ну а время на нашем графике уже есть. Поэтому и с определением энергии сложностей не возникает.
Есть несколько типовых параметров импульсов (waveform). Для относительно мощных супрессоров используется эквивалентный импульс 10/1000 мкс. То есть, ток нарастает от нуля до максимального значения (100% !) за 10 мкс, после чего спадает до половинного значения (50% !) за 1000 мкс (1 мс). Для маломощных TVS диодов, используемых большей частью для защиты сигнальных цепей от электростатических разрядов, часто используются импульсы 8/20 мкс (нарастание 8 мкс, спад до половинного значения 20 мкс).
Вот именно для таких импульсов и указываются параметры максимального импульсного тока и максимальной импульсной мощности в документации на TVS диоды! Причем эти предельные параметры могут указываться в двух вариантах. Первый - неповторяющиеся (Non-repetitive) значения. То есть, это абсолютно предельные значения, которые могут возникнуть лишь в самом наихудшем случае. И лишь один раз. Повторение может вывести диод из строя. Второй - повторяющиеся (Repetitive) значения. То есть, такие импульсы диод может выдерживать многократно.
Следует понимать, что повторяющиеся значения отнюдь не означают серию импульсов! О сериях мы поговорим чуть позже.
Давайте, для примера, посмотрим на параметры некоторых диодов. Так для SA12A для импульсов 10/1000 мкс, не повторяющихся, рассеиваемая мощность может достигать 500 Вт. Это кажется очень впечатляющим, если не учитывать кратковременность импульса, причем единственного. А вот максимальная постоянная рассеиваемая мощность всего лишь 3 Вт, при условии отведение тепла через выводы (и с учетом тепловых сопротивлений!). Как узнать максимальный ток? Разделим мощность на Uc и получим те самые 25.6 А, которые указаны как Ipp.
Для SMBJ5V0A, для импульса 10/1000 мкс, повторяющихся, мощность достигает 600 Вт. Это больше, чем у SA12A, но здесь и корпус другой, с большим кристаллом. Максимальный ток для таких импульсов, повторяющийся, 65.2 А. Постоянная рассеиваемая мощность не указывается.
Для диода ESDA6V1L, предназначенного для защиты от статических разрядов линий данных, параметры указаны для импульсов 8/20 мкс. Это маломощные диоды, но указанная для них мощность может впечатлить, 300 Вт. Но все встает на свои места если вспомнить, что это для коротеньких импульсов 20 мкс, а не 1000.
Что делать, если условия работы диода в нашем устройстве отличаются от эталонных? Нужно найти в документации на диод влияние длительности импульса на максимальную рассеиваемую мощность! Для примера возьмем диод SA12A
Красным цветом я показал, как определяется мощность для стандартных 1000 мкс (1 мс). А синим цветом для более коротких импульсов, в данном случае, для 100 мкс. Хорошо видно, что максимальная мощность возросла в 3 раза, до 1500 Вт. Во столько же раз возрастет и максимальный ток через диод, примерно, до 75 А.
Все просто замечательно? Почти... Дело в том, что при этом вырастет и величина ограничиваемого напряжения! А это уже не так замечательно. Причем мы не можем из документации определить, насколько выше будет напряжение ограничения. Определить это можно либо экспериментально, либо весьма приблизительно с помощью соотношения ∆U/∆I≈0.02 (2%). Это соотношение встречается в некоторых документах (примечания к применению) публикуемых производителями. Таким образом можно предположить, что напряжение ограничения вырастет на 1.1 В и составит 21 В (вместо 19.9 В). Повторю, это прикидочное значение. Соотношение можно использовать и при уменьшении тока.
Как определить длительность импульса для вашего устройства и ваших условий эксплуатации? А вот это уже ваша задача, как разработчика!
Влияет на максимальную рассеиваемую мощности и температура кристалла (перехода). В документации есть и графики этой зависимости. Например, опять для SA12A, эта зависимость такая
Комнатной температурой, как всегда, считается 25 градусов Цельсия. До этой температуры диод может рассеивать полную мощность, как мы ранее и рассчитывали. Если температура выше, то допустимая мощность снижается. Все как всегда.
Почему может вырасти температура кристалла? Например, из-за повышенной температуры внутри устройства. Или из-за того, что выбросы напряжения следуют один за другим, хоть и не слишком часто. В результате, кристалл не успевает остыть. Скорость остывания определяется тепловым сопротивлением переход-окружающая среда. В документации этот параметр приводится не всегда, но иногда приводится даже график зависимости теплового сопротивления от температуры и/или длительности импульса. Мы не будем это рассматривать, это не совсем для новичков.
Выбор TVS диодов
В данной статье я расскажу об этом кратко, в общих словах. Немного подробнее будет в следующей статье. Там же поговорим и об особенностях монтажа диодов.
Итак, общий подход к выбору диодов примерно такой:
- Определяем (задаем) тип защищаемой цепи, ее функциональное назначение. Можно выделить три основных типа: линии сигналов и данных, силовые цепи (питание, коммутация реактивных нагрузок), защита от статических разрядов.
- Определяем номинальное рабочее напряжение цепи или максимально допустимую рабочую амплитуду сигналов. Исходя из этого, желательно и с небольшим запасом, выбираем напряжение Ur для TVS диода.
- Рассчитываем или задаем временные параметры импульсов тока через диод (выбросов напряжения). Для защиты сигнальных цепей от электростатических разрядов можно просто приять 8/20 мкс. Для других случаев разработчику придется посчитать.
- Рассчитываем или задаем максимальную амплитуду импульсов тока через диод. За исключением защиты от ESD придется провести расчеты или задать амплитуду исходя из каких то практических соображений.
- Выполняем предварительный выбор диодов исходя из Ur, типа защищаемой цепи, амплитуды импульсов тока. Для сигнальных цепей нужно учитывать емкость диода. Для силовых цепей это не требуется.
- С учетом заданной длительности импульсов, амплитуды импульсов, температуры, определяем, может ли выбранный диод рассеять требуемую мощность. Если нет, выбираем более мощный диод и повторяем проверку.
- Выбрав диод, определяем напряжение ограничения Uc. Защищаемая цепь должны выдерживать это напряжение.
- Собираем прототип и проводим проверку работы цепей защиты на стенде. Если конечно это возможно. Особенно в любительских условиях.
Стоит заметить, что снижение допустимой рассеиваемой мощности от длительности импульса носит примерно одинаковый характер для разных диодов. Поэтому мы можем предварительно оценить относительное снижение допустимой мощности для более длинных импульсов. Или увеличение для более коротких. И выбирать диоды уже с учетом этой оценки.
Стоит особо отметить, что мощность защитного диода стоит выбирать не "впритык", а некоторым запасом. Это существенно повышает надежность работы устройства. Разумеется, если оно спроектировано и рассчитано правильно. TVS диоды не испытывают деградации параметров только в том случае, когда энергия поглощаемых импульсов не выходит за допустимые пределы. Иначе диод просто пробивается и становится своеобразной "перемычкой". Да, защищаемая цепь остается защищенной, но диод придется заменять. То есть, устройство все таки вышло из строя, хоть и стоимость ремонта невысока.
Заключение
Сегодня мы рассмотрели особенности устройства TVS диодов и их основные параметры. Причем эти параметры напрямую зависят от особенностей устройства. Наибольшую сложность у новичков обычно вызывает выбор мощности диода. А это связано с непониманием, или недостаточным пониманием, того, как определяется импульсная мощность и как она соотносится с параметрами выбросов напряжения (тока).
Я очень надеюсь, что теперь это станет для многих чуть более понятным. И даже более простым. Если что-то остается непонятным, задавайте вопросы в комментариях. Вы же знаете, что я всегда отвечаю, причем подробно.
Изначально планировалось три статьи в цикле. Однако, выяснилось, что нужна еще одна, с некоторыми примерами практического выбора диодов. И с описанием особенностей их монтажа, так как иначе вместо защиты можно получить лишь дополнительные проблемы.
