Влияние переходных скачков напряжения на электронные схемы варьируется от досадных незначительных неисправностей до катастрофических последствий, которые могут привести к повреждению компонентов схемы. Причины таких переходных явлений разнообразны, включая молнию, статическое электричество и наведенный разряд (рис. 1).
Рисунок 1. Переходные процессы могут быть вызваны молнией, статическим электричеством или наведенным разрядом, что может привести к серьезному повреждению незащищенных электронных устройств. (Источник изображения: Littelfuse Inc.)
Такие переходные процессы могут генерировать импульсы с пиковым напряжением от сотен вольт до десятков тысяч вольт и токами, достигающими уровня килоампер, с длительностью от сотен наносекунд до миллисекунд.
Миниатюризация микросхем и процессоров, а также снижение напряжения питания делают их более чувствительными к электрическим переходным процессам. Это особенно актуально для транспортных средств, которые управляются несколькими электронными системами, включая двигатель, рулевое управление, тормозную систему, кондиционер и развлекательные системы.
Для защиты чувствительных цепей были разработаны различные стратегии проектирования, включая экранированную проводку, фильтры, подавление дуги и зажимные устройства. Экранирование и фильтрация имеют пассивную конструкцию, тогда как подавление дуги и защита от зажима используют активные механизмы. Искровые разрядники, газоразрядные трубки, тиристоры и другие устройства гашения дуги отводят переходные токи на землю для защиты цепи. Когда устройство гашения дуги находится в активном состоянии, защищаемое оборудование не работает, но как только переходный процесс исчезает, оборудование может работать нормально.
К зажимным устройствам относятся металлооксидные варисторы (MOV), стабилитроны и лавинные диоды подавления переходных напряжений (TVS), которые поддерживают постоянное напряжение на защищаемом устройстве за счет изменения импеданса. Эти технологии могут использоваться индивидуально или одновременно. TVS-диоды широко используются в качестве фиксирующих устройств из-за их высокой скорости отклика и высокой рассеиваемой мощности.
Диод подавления переходного напряжения
TVS-диод представляет собой лавинный диод, используемый в качестве фиксирующего устройства. Когда приложенное напряжение превышает напряжение лавинного пробоя, оно отводит чрезмерный ток и поддерживает или фиксирует напряжение на постоянном потенциале. Когда приложенное напряжение ниже значения пробоя, оно автоматически сбрасывается.
TVS-диоды могут использоваться как однонаправленные устройства для предотвращения однополярных переходных процессов, а также как двунаправленные устройства для предотвращения переходных процессов любой полярности (рис. 2). Двунаправленные устройства могут быть симметричными, способными фиксировать напряжение любой полярности с одинаковой амплитудой, или асимметричными, способными фиксировать различные уровни напряжения в зависимости от полярности переходных процессов.
Рисунок 2: Характеристики пробоя по току и напряжению и схематические обозначения трех устройств TVS. (Источник изображения: Littelfuse Inc.)
Принцип работы однонаправленного TVS-диода аналогичен принципу работы простого диода. Он проводит ток при прямом смещении и не проводит при обратном смещении, пока не превысит напряжение пробоя (VBR) диода. Когда приложенное напряжение превышает VBR, диод проводит ток, поддерживая напряжение на своих выводах на уровне напряжения фиксации (VC). Максимальная мощность, которую может рассеивать этот диод, равна пиковому импульсному току (IPP) x VC.
Двунаправленный TVS-диод эквивалентен двум встречно-параллельным диодам. Когда напряжение пробоя (VBR) не превышается ни в каком направлении, протекает лишь небольшой обратный ток утечки (IR). Эта операция симметрична, поскольку амплитуды напряжения пробоя при двух условиях смещения одинаковы.
Функция асимметричных TVS-диодов аналогична функции двунаправленных устройств, но их пробивные напряжения (VBR1 и VBR2) различны.
Асимметричный TVS-диод
Вам может быть интересно, зачем нужны асимметричные TVS-диоды. Эти компоненты предназначены для защиты драйверов затворов МОП-транзисторов из карбида кремния (SiC). Из-за высокой скорости переключения SiC эти драйверы подвержены повреждениям из-за переходных процессов перенапряжения. Давайте посмотрим на SiC MOSFET или тяговый инвертор, используемый для зарядки автомобиля (рис. 3).
Рисунок 3: Асимметричный TVS TPSMB1505CA, используемый для защиты драйверов затвора переключателя SiC MOSFET. (Источник изображения: Littelfuse Inc.)
Асимметричный транзистор Littelfuse TPSMB1505CA используется для защиты драйвера затвора МОП-транзисторов. Драйвер ворот имеет два состояния; Напряжение затвора во включенном состоянии составляет от -5 до 10 В, а в выключенном состоянии - ниже -10 В. Номинальное напряжение пробоя между катодом (K) и анодом (A) TPSMB1505CA составляет от 16,7 до 18,5 В, а максимальное напряжение ограничения составляет 24,4 В. Ipp в этом направлении составляет 24,6 А, а длительность переходного импульса составляет от 10 до 1000 мс.
Напряжение пробоя ТВС от А до К составляет 6,8...7,4 В, а максимальное напряжение фиксации - 11,5 В. Пиковый импульсный ток в этом направлении - 60 А, длительность переходного импульса - также от 10 до 1000 мс. Стоит отметить, что этого можно добиться только за счет одного компонента. Если для достижения этого асимметричного режима работы используются независимые компоненты, несколько компонентов должны работать вместе.
TVS-диод асимметричной серии Littelfuse TPSMB (рис. 4) включает в себя два дополнительных компонента с разными напряжениями пробоя от K до A. TPSMB1805CA обеспечивает диапазон напряжения пробоя от K до A от 20,0 до 21,1 В с максимальным напряжением фиксации 29,2 В. Номинальный ток Ipp составляет 20,6 А, а длительность импульса — от 10 до 1000 мс. Диапазон напряжения пробоя от A до K такой же, как у TPSMB1505CA (от 6,8 до 7,4 В).