TVS-диоды — полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений в электронных цепях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ш-диоды -

полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений в электронных цепях

В реальных условиях эксплуатации электронного оборудования в его цепях могут возникать различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перегрузки по напряжению (перенапряжения), создаваемые электромагнитными импульсами естественного происхождения (за счет мощных грозовых разрядов), электромагнитными импульсами искусственного происхождения (за счет излучений радиопередающих устройств, высоковольтных линий передачи, сетей электрифицированных железных дорог и т. п.), а также за счет внутренних переходных процессов в оборудовании при ее функционировании (например, при переключениях индуктивных нагрузок) и электростатических разрядов (ЭСР).

Андрей Кадуков

[email protected]

Воздействие электромагнитного импульса (ЭМИ) естественного и искусственного происхождения на электронные компоненты приводит к изменению их параметров за счет как непосредственного поглощения ими энергии, так и воздействия на них наведенных в цепях импульсов токов и напряжений. По данным фирмы General Semiconductor, потери промышленности США от воздействий перенапряжений составляют более $10 млрд в год. Учитывая сроки эксплуатации электронного оборудования в России, его износ и отсутствие жестких требований по защите от перенапряжений можно предположить, что эти потери в нашей стране сопоставимы с американскими.

Наиболее чувствительными к воздействию импульсных напряжений и токов, наведенных ЭМИ ес-

тественного и искусственного происхождения на проводах и кабелях, являются подключенные к ним выходные устройства, в первую очередь выполненные на ИМС и дискретных полупроводниковых приборах.

Минимальная энергия, вызывающая функциональные повреждения полупроводниковых приборов и ИМС, составляет 10-2-10-7 Дж.

Для защиты цепей оборудования от воздействия электрических перегрузок могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.

Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.

Таблица 1. Сравнение элементов защиты от перенапряжений

Элемент защиты Преимущества Недостатки Примеры использования

Разрядник Высокое значение допустимого тока Низкая емкость Высокое сопротивление изоляции Высокое напряжение возникновения разряда Низкая долговечность и надежность Значительное время срабатывания Защищаемая цепь шунтируется после прохождения импульса Первичная защита телекоммуникационных и силовых цепей Первая ступень комбинированной защиты

Варистор Высокое значение допустимого тока Низкая цена Широкий диапазон рабочих токов и напряжений Ограниченный срок службы Высокое напряжение ограничения Высокая собственная емкость Затруднительность поверхностного крепления Вторичная защита Защита силовых цепей и автомобильной электроники Защита электронных компонентов непосредственно на печатной плате Первая и вторая ступень комбинированной защиты

TVS-диод Низкие уровни напряжения ограничения Высокая долговечность и надежность Широкий диапазон рабочих напряжений Высокое быстродействие Низкая собственная емкость Идеально подходит для поверхностного монтажа Низкое значение номинального импульсного тока Относительно высокая стоимость Идеален для защиты полупроводниковых компонентов на печатной плате Вторичная защита Защита от ЭСР, БИН и электрических переходных процессов Оконечная ступень в комбинированных защитных устройствах

TVS-тиристор Не подвержен деградации Высокое быстродействие Высокий управляющий ток Ограниченный диапазон рабочих напряжений Защищаемая цепь шунтируется после прохождения импульса Первичная и вторичная защита в телекоммуникационных цепях

Группа структурно-функциональных методов включает в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов и др.

Схемотехнические методы включают в себя пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия ЭМИ является активная защита. Основным элементом схем активной защиты являются разрядники, металооксид-ные варисторы, TVS- (transient voltage supres-sor) тиристоры и TVS-диоды, называемые в отечественной литературе «супрессорами», «полупроводниковыми ограничителями напряжения (ПОН)» или «диодами для подавления переходных процессов (ППН)». Поскольку в данной статье описываются полупроводниковые приборы зарубежных производителей, будем использовать термин «TVS-диоды».

В табл. 1 приведено сравнение различных элементов активной защиты от перенапряжений.

За рубежом TVS-диоды известны под названиями (торговыми марками) Trans Zorb, Transil, Insel и т. д.

В настоящий момент рядом производителей разработаны TVS-диоды, с помощью которых защита РЭА решена полностью. Более того, с января 1996 года Европейским комитетом по стандартизации (CENELEC) введены стандарты, запрещающие продажу на рынке ЕС аппаратуры без защиты, в состав которой входят TVS-диоды.

Полупроводниковые TVS-диоды — полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой, подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинного пробоя диода.

В нормальном рабочем режиме TVS-диод должен быть «невидим», то есть не влиять на работу защищаемой цепи до момента возникновения импульса перенапряжения. Электрические характеристики TVS-диода не должны оказывать никакого влияния на нормальное функционирование цепи.

Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного, в то время как опасный ток протекает через диод на землю, минуя за-щищяемую цепь. Принцип работы TVS-диода показан на рис. 1.

им пульс перенапряжения

ток, соответствующий перенапряжению

ограниченный импульс перенапряжения

защищаемая

нагрузка

рассчитаны на работу при значительных импульсных нагрузках.

TVS-диод обладает высоким быстродействием в отличие от газоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за значительного времени срабатывания (более 0,15 цкс) не решают проблемы защиты многих полупроводниковых приборов и микросхем, поскольку для них недопустимы начальные выбросы напряжения, пропускаемые разрядниками.

Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является еще то, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при их применении защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников.

Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов менее 10-12 с, а у симметричных— менее 5х10-9 с. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Другой важной характеристикой TVS-диодов является барьерная емкость р-п-перехода. Малоемкостные TVS-диоды (С=90-100 пФ) применяются для защиты линий связи переменного тока с частотой до 100 МГц от выбросов напряжения.

Вольтамперные характеристики TVS-диодов и их схемотехнические символы приведены на рис. 1-3.

Рис. 1. Принцип работы TVS-диода

TVS-диоды часто путают с кремниевыми стабилитронами (диодами Зенера). TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных импульсов перенапряжения, в то время как кремниевые стабилитроны предназначены для регулирования напряжения и не

Основные электрические параметры ТОБ-диодов

ипр0б при 1Т СУ(ВК)}, В — значение напряжения пробоя при заданном тестовом токе пробоя 1т;

10бр.( 1р} , мка — значение постоянного обратного тока, протекающего через прибор в обратном направлении при напряжении, равном ^бр.;

Уобр.С^м), в — постоянное обратное напряжение (в соответствии с этим параметром выбирается тип ограничителя);

Уогр. имп. мах.( УС}> В — максимальное импульсное напряжение ограничения при максимальном импульсном токе при заданных длительности, скважности, форме импульса и температуре окружающей среды;

Римп. мах, (Рррт}> Вт — максимально допустимая импульсная мощность, рассеиваемая прибором, при заданных форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды.

Тип TVS-диода для конкретного применения выбирается, исходя из рассчитанного значения Римп мах с учетом длительности импульса и его формы. При этом Vобр должно быть равно напряжению, действующему в цепи или превышать его с учетом максимального допуска.

Обычно Римп мах рассчитывается с учетом воздействия импульса — 10/1000 мкс ^ ф =10 мкс, ^=1000 мкс) показанного на рис. 4.

Но в реальных условиях эксплуатации в зависимости от характера перенапряжения параметры импульса могут иметь другие значения. Поэтому во многих международных и национальных стандартах указаны иные параметры импульса. Например, в стандарте МЭК 801-5 для линий передачи данных описан импульс перенапряжения с формой 1,2/50 мс.

Рисунок 5 иллюстрирует зависимость максимально допустимой импульсной мощности от длительности импульса перенапряжения для TVS-диода TRANSZORB* типа SMBJ12A с Римп мах = 600 Вт. Обычно производители приводят подобные графики в спецификациях на все типы и серии TVS-диодов. На этом графике видно, что при увеличении длительности импульса перенапряжения свыше 1000 мкс снижается значение максимально допустимой импульсной мощности TVS-диода, и наоборот, при снижении длительности мак-

симально допустимая мощность увеличивается. При воздействиях более коротких импульсов ТУ8-диод выдержит более высокий импульсный ток (ІР). При длительности импульса 50 мс ТУ8-диод 8МБ112А выдержит импульсный ток, превышающий номинальный в 3,5 раза.

Этот метод может применяться для расчета значений максимально допустимой мощности и импульсного тока ТУ8-диодов с любыми

номинальными значениями Р 500 Вт, 1,5 кВт, 5 кВт).

имп. мах.

(400 Вт,

£■ 100ns 1цл Юцл 100)U 1ms 10ms 100n

td - длительность импульса - сек.

Рис. 5. Зависимость максимально допустимой импульсной мощности от длительности импульса перенапряжения

Если мощность одного TVS-диода не удовлетворяет заданным требованиям по Римп мах, их соединяют последовательно. При двух последовательно соединенных TVS-диодах мощность удваивается и т. д. Допускается последовательное соединение любого числа TVS-диодов. При этом разброс по V^g каждого прибора не должен превышать 5 % , что гарантирует равную нагрузку на последовательно соединенных приборах. Если невозможно достичь нужной мощности при последовательном соединении, допускается параллельное соединение. Для гарантированной загруженности приборов по мощности необходимо точное их согласование по VDlp (не более 20 мВ). Допускается также смешанное соединение TVS-диодов.

TVS-диоды наряду с основным назначением могут использоваться как стабилитроны (диоды Зенера). При этом необходимы дополнительные данные по значениям максимально допустимой постоянной рассеиваемой мощности и динамическим сопротивлениям при минимальном и максимальном токах.

За рубежом TVS-диоды впервые были разработаны в 1968 году фирмой GSI (General Semiconductor Industries) для защиты устройств связи от грозовых разрядов. В дальнейшем этой фирмой были созданы TVS-диоды с напряжением пробоя от 6,8 до 200 В с импульсной мощностью 1,5 кВт для защиты авиационного оборудования, аппаратуры связи от воздействия ЭМИ искусственного происхождения, для защиты микросхем от внутренних электрических нагрузок по напряжению, от статического электричества, а также TVS-диоды с малой индуктивностью и емкостью. В настоящее время в мире выпускается около 3000 типономиналов TVS-диодов с импульсной мощностью от 0,15 до 60 кВт на напряжение пробоя от 6,0 до 3000 В.

TVS-диоды TRANSZORB® фирмы General Semiconductor

TVS-диоды TRANSZORB* фирмы General Semiconductor выпускаются в различных исполнениях, с учетом условий эксплуатации и области применения. Дискретные диоды в пластиковом корпусе с гибкими выводами, предназначенными для монтажа в сквозные отверстия, выпускаются со значениями максимальной допустимой импульсной мощности 400 Вт, 500 Вт, 600 Вт, 1,5 кВт и 5 кВт. Диоды с наибольшими значениями максимальной допустимой импульсной мощности обычно используются для установки в цепях питания. При более низких значениях мощности в приложениях с высокой плотностью расположения компонентов используются диоды и диодные сборки, которые выпускаются как в DIP-корпусах, так и в корпусах для поверхностного монтажа. Они выпускаются со значениями максимальной допустимой импульсной мощности 400 Вт, 500 Вт, 600 Вт, 1,5 кВт и 5 кВт. Диодные сборки обычно используются на линиях передачи данных для защиты портов ввода/вывода от электростатических разрядов. Кроме того, выпускаются специализированные низкоемкостные TVS-диоды, применяемые в цепях с высокой скоростью передачи данных с целью предотвращения затухания полезных сигналов. TVS-диоды TRANSZORB* выпускаются для работы в цепях с рабочими напряжениями от 5 до 376 В. Ввиду широкого диапазона возможных рабочих напряжений и допустимых номинальных мощностей (так же, как и перенапряжений) TVS-диоды TRANSZORB* используются в различных электронных схемах и приложениях.

Дискретные TVS-диоды TRANSZORB®

ТОБ-диоды ТРАМБ7ОРБ' серии 1.5КЕ6.8-1.5КЕ440СА (1М6267-1М6303А)

Диоды серии 1,5КЕ6,8-1,5КЕ440СА выпускаются в симметричном и несимметричном исполнении. В обозначении симметричного диода добавляется суффикс С или СА. Например, 1,5КЕ6,8С, 1,5КЕ440СА. Серия Ш6267-Ш6303А выпускается только в несимметричном исполнении.

0.210(5.3)

0.190(4.8)

DIA.

1.0(25.4)

MIN.

0.375 (9.5) 0.295 (7.2)

Размеры указаны в дюймах (миллиметрах)

0.042(1.07)

0.039 (0.96) DIA.

1.0 (25.4) MIN.

Габаритный чертеж

Дискретные TVS-диоды TRANSZORB* предназначены для защиты чувствительных электронных компонентов от импульсных перенапряжений, вызываемых электростатическими, коммуникационными и грозовыми разрядами. Все серии дискретных TVS-диодов выпускаются с гибкими выводами для монтажа в сквозные отверстия, в пластиковом корпусе с защитой полупроводникового перехода пассивирующим слоем стекла. Рекомендуемая температура пайки диодов — 265 °С/10 с.

Они характеризуются широким диапазоном рабочих напряжений (от 5,0 до 376 В) и напряжениями ограничения (от 6,0 до 440 В), малым временем срабатывания (для симметричных диодов — 1х10-9 с), способностью подавлять импульсы перенапряжений высокой мощности (до 1500 Вт при форме импульса 10/1000 мкс). Это позволяет использовать их для защиты телекоммуникационного оборудования, цифровых интерфейсов и др. в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки.

1,5 КЕ X X X С А

Напряжение

V(BR)

Симметричный —

Допускаемое отклонение напряжения -5% ~

Допускаемое отклонение напряжения - 5 %

Условные обозначения диодов

1 N6 X X X А

Условное обозначение

TVS-диоды TRANSZORB® серии ICTE 5.0-ICTE 15C (1N6273-1N6377 и 1N6382-1N6385)

Диоды выпускаются в симметричном и несимметричном исполнении. Электрические параметры несимметричных и симметричных диодов этой серии указаны в табл. 4 и 5.

Габаритный чертеж, предельные эксплуатационные характеристики аналогичны описанным для серии 1.5KE6.8-1.5KE440CA (1N6267-1N6303A).

Условные обозначения диодов 1N6273-1N6377 и 1N6382-1N6385 соответствуют обозначению серии Шхх.

Таблица 2. Предельные эксплуатационные характеристики

Параметр Обозначение Значение параметра Еденица измерения

Макс. имп. Мощность (имп. -10/1000 мкс)(|) P ppm мин. 1500 Вт

Макс. имп. Ток (имп. -10/1000 мкс)(1) IPPm см. следующую таблицу А

Постоянная рассеиваемая мощность при Т= 75°, длине выводов 9,5 мм P mH 6,5 Вт

Макс. прямой ток, только для несимметричных диодов(2) !fsm 200 A

Макс. имп. прямое напряжение при 100 А, только для несимметричных диодов(3) Vf 3,5/5,0 V

Температура окружающей среды Т -55...+175 °С

Примечание. 1. При одиночном импульсе тока и при температуре 25°С. 2. Измеряется при воздействии одиночного импульса в виде синусоидальной полуволны длительностью 8,3 мс или эквивалентного прямоугольного импульса, с максимальной частотой следования импульсов — 4 имп/мин (метод JEDEC). 3. VF = 3,5 В для диодов с ^ 220 В, и

VF = 5,0 В макс. для диодов с V(BR)>220 В.

Таблица 3. Электрические параметры

Тип (JEDEC) Тип (General Semiconductor) Напряжение пробоя V(BR) (В) Макс. Мин. Тест. ток пробоя IT (мА) Постоянное обратное напряжение Vwm(B) Макс.обр. ток пРи VWM Макс. имп. ток ограничения IPPM (А) Макс. напряжение ограничения при 'PPM Vc (В) Темпер. коэф. напряжения пробоя (%/°C)

1N6267- 1.5KE6.8 - 6,12 7,48 10 5,5 1000 139 10,8 0,057

1N6303A 1.5KE200A*- 190 210 1 171 1,0 5,5 274 0,108

- 1.5KE440A 418 462 1 376 1,0 2,5 602 0,110

Примечание. В таблице указаны только параметры диодов с минимальными и максимальными значениями V(BR).

Неповтор. импульс 10/1000 мкс

0.1ц*

1.0ц$ 10(is lOO^is 1.0ms 10ms

td - длительность импульса - сек. Рис. 6. Зависимость Pppm от td для серий дискретных TVS-диодов серии 1.5KE6.8-1.5KE440CA (1N6267-1N6303A)

100

3^75

0 о4

1

* ê: so

І s -і 1 і25

*

S

X

U

0 25 50 75 125 150 175 200

Т - температура окружающей среды {С°)

Рис. 7. Зависимость Ppp или Ipp от T для серий дискретных TVS-диодов серии 1.5KE6.8-1.5KE440CA (1N6267-1N6303A)

10000

S 1000

5

©

к

о

Ï

VD

О

100

5 10 100 500

У(ЕЖ), напряжение пробоя, (В)

Рис. 8. Зависимость С от для серий дискретных "^-диодов серии 1.5КЕ6.8-1.5КЕ440СА (1М6267-1Ы6303А)

Графики, показывающие зависимость максимальной допустимой импульсной мощности (Рррт) от длительности импульса ^) и зависимость Рррт (1рр) от температуры окружающей среды ^), аналогичны приведенным для диодов серии 1.5КЕ6.8-1.5КЕ440СА (Ш6267-Ш6303А). Ш

ICTE- X X С

Значение

напряжения

V(WM) Симметричный -------------

Условное обозначение диодов серии ICTE-5.0-ICTE 15C

юоооо

0

с

g 10000

3 1000 \о

100

1 10 100 200 У(В1?) - напряжение пробоя (В)

Рис. 9. Зависимость С от V(BR) для несимметричных дискретных "^Б-диодов серии 1СТЕ 5.0- 1СТЕ 15 (1Ы6273-1Ы6377)

g* 100000

І 10000

|- 1000 и 100

1 10 100 200 V(BR) - напряжение пробоя (В)

Рис. 10. Зависимость С от V(BRj для симметричных дискретных TVS диодов серии ICTE 8.0С-ICTE 15С (1N6282-1N6385)

Таблица 4. Электрические параметры несимметричных диодов

Тип (JEDEC) Тип (General Semiconductor) Постоянное обратное напряжение VWM (В) Мин. (3) напряжение пробоя при токе 1 мА V(BR) (В) Макс. обр. ток при Vwm Id (мкА) Макс. напряжение ограничения при Ippm=1,0 А Vc (В) Макс. напряжение ограничения при 'ppm=10 А Vc (В) Макс. имп. ток ограничения Ippm (А)

1N6373(2) ICTE-5(2) 5,0 6,0 300 7,1 7,5 160

1N6374 ICTE-8 8,0 9,4 25,0 11,3 11,5 100

1N6375 ICTE-10 10,0 11,7 2,0 13,7 14,1 90

1N6376 ICTE-12 12,0 14,1 2,0 16,1 16,5 70

1N6377 ICTE-15 15,0 17,6 2,0 20,1 20,6 60

Таблица 5. Электрические параметры несимметричных диодов

Тип (JEDEC) Тип (General Semiconductor) Постоянное обратное напряжение Ущм (В) Мин. (3) напряжение пробоя при токе 1 мА ^(В) Макс. обр. ток при VWM ID (мкА) Макс. напряжение ограничения при 1ррм=1,0 А УС(В) Макс. напряжение ограничения при 1ррм=10 А Ус(В) Макс. имп. ток ограничения 1ррм (А)

1N6382 ICTE-8C 8,0 9,4 50,0 11,4 11,6 100

1N6383 ICTE-10C 10,0 11,7 2,0 14,1 14,5 90

1N6384 ICTE-12C 12,0 14,1 2,0 16,7 17,1 70

1N6385 ICTE-15C 15,0 17,6 2,0 20,8 21,4 60

Таблица 6. Электрические параметры симметричных диодов

Параметр Обозначение Значение параметра Еденица измерения

Макс. имп. Мощность (имп. -10/1000 мкс)(1) P ppm мин. 1500 Вт

Макс. имп. Ток (имп. -10/1000 мкс)(1) IPPm см. следующую таблицу А

Постоянная рассеиваемая мощность при Т= 75°, длине выводов 9,5 мм P mH 6,5 Вт

Макс. прямой ток, только для несимметричных диодов(2) IFSM 200 A

Макс. имп. прямое напряжение при 100 А, только для несимметричных диодов(3) Vf 3,5/5,0 V

Температура окружающей среды Т -55...+175 °С

Примечание. 1. Симметричные диоды в обозначении имеют суффикс «С». 2. Диоды 1СТЕ-5 и 1Ы6373 выпускаются только в несимметричном исполнении. 3. Указанное минимальное напряжение пробоя имеет допуск ± 1 Вольт. 4. Коэффициент ограничения (К0Гр): не превышает 1,33 при мощности равной Римп.макс. и не превышает 1,2 при 0,5

Римп.макс. Когр. — отношение V