Az ESD-, EFT-, surge- és elsősorban autóipari 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, mindemellett az alkalmazott megoldás nem befolyásolhatja az átviteli sebességet. A TVS diódákról szóló általános ismertetés mellett szeretnénk néhány alkalmazási példán keresztül bemutatni a tranziens szupresszordiódával való védekezés alapjait

Túlfeszültség elleni védelem TVS diódával

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 impedanciája, ami a frekvencia reciprokával arányos (ZC~1/2¶fC) olyan alacsony értékű lesz, hogy az jelvesztéshez vezet. Ezért olyan kis méretű, kis kapacitású, de nagy energia elnyerésére alkalmas és pontos megszólalási feszültségű eszköz alkalmazására van szükség, ami egyaránt alkalmas a különböző túlfeszültségtípusok 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 olyan „clamping” eszközök, melyek alacsony impedanciás „Avalanche” P/N átmenetük megnyitásával a feszültségtüskéket a mögöttes elektronika által elviselhető mértékű szintre korlátozzák.

A TVS dióda U-I karakterisztikája nagyon hasonlít a Zener diódáéra, az alapvető különbség az, hogy míg a Zener diódát feszültségstabilizálásra, addig a TVS diódát kifejezetten tranziens túlfeszültség elleni védelemre tervezték, hiszen a túláramot azonnal söntöli és a védendő áramkörre jutó maradék áramot elviselhető szintre korlátozza.

Ahhoz, hogy a védőeszköz számára hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek, a mérnökök választhatnak nagyobb méretű tokozást, mely jobban disszipálja a keletkező hőt, mert chipmérettől egészen nagy modulokig találhatunk TVS diódát a gyártók 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 növelhetőek. A mai TVS dióda lehetővé teszi a viszonylag nagy surge-jellegű áramok elvezetését. A TVS dióda meghibásodásakor rövidzárba kerül. A félvezetős technológiának hála, működése rendkívül gyors és precíz, mert a válaszidő az elektronok sebességével arányos. Mivel a helyesen megválasztott túlfeszültségvédő normál üzemi körülmények közt láthatatlan kell, hogy legyen, az esetleges nagy adatátviteli frekvenciákon ultraalacsony – pF-nagyságrendű – kapacitású TVS diódákra van szükség, ilyen például a ProTek Devices GBLC08CLC eszköze, melynek vonali kapacitása mindössze 0,4 pF. A szupresszordióda unidirekcionális szervezésben DC-vonalakhoz éppúgy használható, mint bidirekcionális változatokban váltakozó áramú applikációkhoz. Ellentétben 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 előrehaladtával is. Válaszideje a nanoszekundum nagyságrendbe esik, és működését alacsony clampingfaktor (~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 8 kV kontakt és 15 kV levegőkisülés-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 alattti 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 azt 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) építenek be az eszközeikbe a gyártás során fellépő zavarok hatásának minimalizálására, azonban a valós körülmények közt fellépő ESD akár 15 kV is lehet, ezért a beépített védelmet csak másodlagos szintnek szabad tekinteni és szükség van egy primer védelemre is 8 kV kontakt és 15 kV levegőkisülés-impulzusok ellen.

Az ESD-védelem kiválasztásánál figyelembe kell venni a következőket:

• Az eszközre jellemző triggerfeszültség, 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 (mikroszekundum 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, így aztán a kapcsolt készülékekben kárt tehetnek. A hatékony védekezéshez általában kétszintű védelemre van szükség: a primer rendszer „crowbar” jellegű túlfeszültségvédelmet tartalmaz, ezek az eszközök az energia nagy részét magukon keresztül söntölik a föld felé, míg 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 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 a gyors válaszidejének és az alacsony „clamping” feszültségének köszönhetően a primer védelmen átjutó tranzienst hatékonyan csökkenti a védendő készülék által elviselhető szintre, ezzel kompenzálva a GDT nagy megszólalási feszültségküszöbét. 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, hogy elviseljen.

A harmadik kritikus túlfeszültségfajta – 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, lefolyása 400 ms is lehet. Feltételezve, hogy a soros ellenállás értéke 1~2 ohm, a fellépő surge-áram akár meghaladhatja az 50 ampert is 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 automatikus 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 feszültségreferenciát 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 tranziensszupresszor-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, 30–60 A nagyságú surge-áramot 10 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 következő táblázatban összefoglaltuk az elektronika egyik legfontosabb területén, a jármű-elektronikában előforduló tranziens túlfeszültségek jellemzőit, az előfordulásuk gyakoriságát és legfontosabb előidéző okaikat, hogy áttekintést adjunk az áramkörtervezéskor figyelembe veendő feladatokról.

Adatvonalak túlfeszültségvédelme

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 szokás védeni. Az adatvonalakon alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök kapacitása azonban komoly problémát jelent magas baud rate esetén. A soros ellenállás a terhelés kapacitásával együtt alkotja az első szűrőt, mely lassítja a jel fel- és lefutását. A hatásos ellenállás csökkentése lehetséges a réz keresztmetszetek növelésével, de az igazi megoldást a nagy sebességek eléréséhez a kapacitás csökkentése jelenti.

CAN-busz védelme TVS diódával

A CAN-busz egy üzenetalapú soros buszrendszer, melyet elsősorban jármű-, ipari és orvoselektronikai alkalmazásokhoz fejlesztettek ki. Adatátviteli sebessége elérheti az 1 Mibit/s értéket, általában 40 m 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 ± 8 kV érintés, ±15 kV levegőkisülés
• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns
• IEC 61000-4-5 surge másodlagos villámlás, 3 A @ 8/20 μs
• AEC-Q101 tanúsított
• 1×PAM1CAN SOT-23 tokozás
• Stand-off feszültség V_WM: 24 V
• Letörési feszültség BV_MIN: 25,4 V
• V_C @ IP: 70 V @ 3 A
• Szivárgási áram I_R: 0,05 μA
• Max. kapacitás: 17 pF

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 10 Mibit/s sávszélességgel rendelkezik, és a CAN-busz sebességének tízszeresét (két csatorna esetén hússzorosát) elérő sebességgel kommunikál. Védekezni általában ESD és rövidzár ellen szükséges.

Jellemzői:

• IEC 61000-4-2 ± 8 kV érintés, ±15 kV levegőkisülés
• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns
• IEC 61000-4-5 surge másodlagos villámlás, 3 A @ 8/20 μs
• AEC-Q101 tanúsított
• 1×PAM1FLEX SOT-23 tokozás
• Stand-off feszültség V_WM: 24 V
• Letörési feszültség BV_MIN: 25,4 V
• V_C @ IP: 70 V @ 3 A
• Szivárgási áram I_R: 0,05 μA
• Max. kapacitás: 11 pF

LIN-busz védelme TVS diódával

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

Jellemzői:

• IEC 61000-4-2 ± 8 kV érintés, ±15 kV levegőkisülés
• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns
• IEC 61000-4-5 surge másodlagos villámlás, 24 A @ 8/20 μs
• AEC-Q101 tanúsított
• 1×PAM1LIN SOT-323 tokozás
• Stand-off feszültség V_WM: 15 & 24 V
• Letörési feszültség BV_MIN: 17,2 & 25,5 V
• V_C @ IP: 44 V @ 5 A & 70 V @ 3 A
• Szivárgási áram I_R: 0,001 μA
• Max. kapacitás: 17 pF

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 komponensfejlesztők számára.

Li-ion akkumulátoros rendszerek védelme TVS diódával

Az intelligens Li-ion akkumulátorrendszerek túláramvédelmére és a vezérlőchip ESD-védelmére fejlesztette ki a ProTEK a VSMF05LC és a PLRO1206 eszközöket. Mivel az ilyen rendszereket eredendően üzembeni csatlakoztatás jellemzi, ESD, rövidzár és hibás külső eszköz használatából eredő tranziensek elleni védekezésre van szükség.

Jellemzői:

• IEC 61000-4-2 ± 8 kV érintés, ± 15kV levegőkisülés
• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns
• IEC 61000-4-5 surge másodlagos villámlás, 2 A @ 8/20 μs
• 1×VSMF05LC SOT-953 tokozás
• Stand-off feszültség V_WM: 5 V
• Letörési feszültség BV_MIN: 6 V
• V_C @ IP: 12 V @ 2 A
• Szivárgási áram I_R: 1 μA
• Tip. kapacitás: 9 pF

Load Dump elleni védekezés TVS diódával

A gépjármű-elektronikát tervező mérnökök megszokásból általában névleges, soros R_i értéket (2 ohm 12 V és 4 ohm 24 V esetén), valamint alacsony t_d időbeli lefolyást választanak (40 ms 12 V és 100 ms 24 V esetén) a túlfeszültség-védelem méretezésekor, a Load Dump tranziens hatására fellépő surge-áram korlátozására. Sok esetben alacsonyabb teljesítményre specifikált SMCJ (1,5 kW) vagy SMDJ (3 kW) TVS eszközökkel operálnak, de a kérdés az, hogy ez vajon elegendően robusztus védelem-e 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 feszültségtartományon. A RoHS és REACH elvárásainak megfelelő JEDEC DO-218AB tokozásban, T_j = 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.

Az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH honlapja