A termék tervezésekor a funkcionális dizájn mellett a hatékony védekezés is a konstruktőr feladata. A Protek Devices által kínált Avalanche diódák (szupresszordiódák – TVS) nagyfokú flexibilitást biztosítanak a túlfeszültség-védelem területén, hiszen 2,8 V–400 V-ig elérhető típusok közül választhatunk, 80 W–30 kW teljesítmény mellett.
A túlfeszültség típusai
A tranziens túlfeszültségek három alaptípusba sorolhatók: elektrosztatikus feltöltődés (ESD), a „Surge" és a „Load dump" jellegű zavarok.
Az elektrosztatikus kisülés két eltérő töltöttségi szintű, illetve potenciálú tárgy közelítése, vagy egymáshoz érése folytán a szigetelő dielektrikum (levegő) átütésekor, általában szikra formájában megjelenő zavar. Általában 2—15 kV (1—4 szint) kisülési feszültség, rövid (ns) lefolyás és relatív kis energia jellemzi.
A surge az ESD-nél nagyságrendekkel hosszabb (mikroszekundum) zavar, melyet általában kapcsolási tranziensek, vagy villámütés okozhatnak és nagy energia jellemzi.
A Load dump jellegű túlfeszültség általában úgy keletkezik, hogy nagy induktivitású forrásról a terhelést hirtelen lekapcsolják, például jellemző esete ennek, amikor a gépjármű akkumulátora hirtelen lekapcsolódik a generátorról. A tekercsekben felhalmozódott energia hosszú, általában milliszekundum nagyságrendű tranziens túlfeszültséget okoz, melyet a felfutás után lassú lefutás és nagy energia jellemez.
Tranziens túlfeszültség-szupresszorok
A félvezető diódaalapú Avalanche TVS (transient voltage suppressor) eszközök P/N-átmenete a Zener-diódákéhoz hasonlít, azonban nagyobb keresztmetszettel rendelkeznek, melynek mérete arányos a kezelni kívánt teljesítménnyel. Ahhoz, hogy hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek a védőeszköz számára, a mérnökök választhatnak nagyobb méretű tokozást, amely jobban disszipálja a keletkező hőt, mert chip-mérettől egészen nagy modulokig találhatunk TVS diódát a gyártó kínálatában. Bár a TVS dióda esetén kisebb hibaáram engedhető meg, mint a fém-oxid varisztoroknál, a maximális feszültség és áramértékek több eszköz soros, vagy párhuzamos kapcsolásával tetszőlegesen növelhető. A mai TVS diódák lehetővé teszik a viszonylag nagy surge jellegű áramok elvezetését, például a Protek Devices 2700SM78CA terméke 18 kA maximális áramot visel el, egy 12 V-os névleges feszültségű 600 W-os dióda 8/20 µs surge kapacitása pedig 140 A. 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 pl. a GBLC08CLC, melynek vonali kapacitása mindössze 0,4 pF. A szupresszordióda 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 az idő előrehaladtával is kiváló marad. Válaszideje a ns nagyságrendbe esik, és működését alacsony clampingfaktor (~1,33) jellemzi.
Villám okozta tranziensek TVSD-védelme
A szabványok szerint a primer szakaszban olyan eszközöket kell választani, melyek az 5 kV-nál nagyobb feszültséget és a TSS esetén 250 A, GDT esetén 10—20 kA surge-áramot is képesek elviselni.
A második vonalban használt TVSD gyors válaszideje és alacsony „clamping" feszültsége okán 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 100 A (8/20 µs, 10/1000 µs és 10/700 µs hullámformájú) „surge"-áramot kell elviseljen.
Mint az ábrán bemutatott példa ethernetvédelme kapcsán is megfigyelhető transzformátor mindkét oldalán szokásos védekezni. Az elválasztó transzformátor vonal felőli oldalán alacsony kapacitású TVS (Z1) biztosít közös módusú tranziensek elleni védelmet, míg a szekunder — chip felőli — oldalon az esetlegesen átindukált zavarokat két további TVS söntöli a föld felé, ezzel megvédve az IC-t. Egy másik alkalmazott megoldás, amikor „steering" diódamátrixot építenek a chip-oldalra, melyek kis átmenet menti kapacitásértékük miatt nagy sebességű adatvonalakon segítik a belépőveszteségek csökkentését.
ESD elleni védelem
Az elektrosztatikus kisülés egy rövid időtartamú egyszeri, nagyfeszültségű és -áramú zavar. Alacsony adatátviteli sebességű vonalakra a flipchip tokozás javasolt olcsósága és kis mérete okán, míg nagy sebességek esetén alacsony kapacitású változatok ajánlatosak (SR2.8, SVLU2.8-4, GBLCxxC és SRV05-4). TVS/Steering-diódakombináció is alkalmazható a vonal-vonal közti ESD tranziensek ellen.
TVS eszközök párhuzamosítása a teljesítmény növelése érdekében
A Protek TVS diódái 2,8—400 V feszültségekre és 80 W—30 kW teljesítményre fejlesztették ki. Ezek az eszközök azonban sikeresen használhatók ennél nagyobb feszültség- és teljesítményértékek mellett is, ha sorba vagy párhuzamosan kötjük őket. A névleges teljesítmény egy szabványban elfogadott tranziens-hullámforma mellett (pl. 10/1000 µs) értelmezhető. A 10/1000 µs hullámot 10 μs felfutás utáni exponenciális csökkenés jellemzi. az 50%-os értekre való csökkenés ideje 1000 µs. Azokban az alkalmazásokban, ahol az így értelmezett túlfeszültség-impulzus meghaladja a limitet, a TVS diódákat párhuzamosan kötve a feszültség változatlan értéke mellett az egyenkénti áramérték korlátozható. Nagyon fontos azonban az alkalmazott diódák összeválogatása a „clamping"-feszültség tekintetében, mivel a diódáknak ideálisan közel egyforma tranziens áramokat kell vezetniük, még akkor is, ha a három dióda cikkszáma, illetve gyártói kódja megegyezik, letörési feszültségük, szivárgási áramaik és clamping-feszültségeik eltérőek lehetnek, ami miatt a válogatás nem kerülhető el.
Csúcs impulzusteljesítmény – Peak pulse power (Ppp)
A TVS eszközöket adott hullámalak mellett az általuk elviselhető impulzusteljesítményük alapján kategorizáljuk. A teljesítmény nagyban függ a tranziensimpulzus időtartamától (td), így annak növekedésével a névleges teljesítmény (Ppp) csökken, ahogy az ábrán látható.
Az impulzus időtartama a felfutás (a csúcs elérésének ideje) és lefutás (a csúcsérték 50%-ának eléréséhez szükséges idő) összesített mértékéből adódik.
A maximális Peak Pulse Power a clamping-feszültség és az áram maximális értékének szorzatából kalkulálható. Mivel a clamping-feszültség (a dióda P/N-átmenetén maximálisan megengedhető feszültség határértéke) általában konstans, nem függ az időtől, a teljesítménygörbe felfogható úgy is, mint a maximális áram időfüggése. Az adott impulzushosszra értelmezhető Ipp meghatározásának legegyszerűbb módja az, ha Ppp értékét elosztjuk az időfüggetlen „clamping"-feszültség maximális értékével.
