Utilizzare i diodi di soppressione delle tensioni transitorie per rendere più robusti i circuiti e mantenere l'integrità elettrica

Le tensioni dei transitori elettrici veloci (EFT) sono una realtà di cui i progettisti devono tener conto per proteggere i circuiti, sistemi e gli utenti. Gli EFT hanno molte fonti, tra cui le comuni scariche elettrostatiche (ESD) dovute a semplici azioni come camminare su un tappeto, avviare un motore o un fulmine che provoca un effetto di ondulazione. Questi transitori possono influire negativamente su tutte le classi di prodotti, dai dispositivi indossabili alimentati a batteria a bassa tensione ai sistemi a motore ad alta potenza.

Gli effetti degli EFT vanno dall'interruzione temporanea e dall'incapacità di funzionare al deterioramento a lungo termine delle prestazioni e al vero e proprio danno permanente e guasto irreparabile. Sebbene i progettisti possano adottare misure per ridurre i transitori di tensione, come l'uso di involucri antistatici, il filtraggio, il bloccaggio alla fonte o l'implementazione di una messa a terra aggiuntiva, spesso queste misure devono essere riviste o aggiornate in base allo scenario applicativo specifico.

Per ridurre o eliminare in modo affidabile le conseguenze dannose delle tensioni transitorie, i progettisti possono utilizzare componenti passivi a due terminali chiamati diodi di soppressione di tensioni transitorie (TVS). Sebbene siano generalmente considerati come un circuito aperto, questi diodi reagiscono quasi istantaneamente e assomigliano a un cortocircuito quando si verifica l'evento transitorio, deviando così la sovratensione transitoria verso terra. I diodi TVS offrono una risposta rapida, un'elevata capacità di resistenza alla tensione, una lunga durata e una bassa capacità elettrica.

Questo articolo esaminerà la necessità, il ruolo, i tipi e le applicazioni dei diodi TVS, utilizzando come esempi varie famiglie di dispositivi di Eaton Corporation plc (Eaton).

Due parole sugli standard IEC

Per mitigare i rischi degli EFT, la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) ha definito tre standard riconosciuti a livello internazionale per la protezione dalle sovratensioni all'interno della norma IEC 61000-4 ("Compatibilità elettromagnetica (EMC): Tecniche di prova e di misurazione"):

1) La norma IEC 61000-4-2 riguarda l'immunità alle ESD a livello di sistema, che si applica alle ESD causate dal contatto umano (Figura 1). Per questa forma d'onda, il tempo di salita (tr) è breve, da 0,7 a 1 ns, e la maggior parte dell'energia si dissipa nei primi 30 ns, dopodiché decade rapidamente. Pertanto, è necessaria una protezione dalle sovratensioni a intervento rapido per una risposta tempestiva agli eventi ESD.

Figura 1: Una tipica forma d'onda di un impulso ESD dovuto al contatto umano, come caratterizzato dalla norma IEC 61000-4-2, mostra un tempo di salita molto breve, inferiore a un nanosecondo, con la maggior parte dell'energia che si dissipa entro i primi 30 ns. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

La sola forma d'onda non indica i livelli di tensione associati. La norma IEC 61000-4-2 specifica le tensioni di prova per l'immunità ESD a livello di sistema in varie apparecchiature per le scariche a contatto e in aria (Figura 2).

Figura 2: I livelli IEC 61000-4-2 per le scariche in aria e a contatto definiscono ulteriormente le specificità del contatto umano. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

La scelta di un diodo TVS dipende dal livello di protezione ESD richiesto in un'applicazione. Si noti che tutti i diodi TVS di Eaton offrono prestazioni minime di livello 4 quando sono testati in base alla norma IEC 61000-4-2. Sono disponibili altre opzioni con una protezione di resistenza ESD ancora più elevata, in grado di fornire fino a 30 kV sia per la scarica in aria sia per quella a contatto.

2) La norma IEC 61000-4-5 riguarda l'immunità alle sovracorrenti transitorie, come quelle provocate da fulmini o dalla commutazione di sistemi di alimentazione. A differenza dell'elettricità statica di potenza relativamente bassa, i fulmini possono contenere fino a 1 GJ di energia e fornire fino a 120 kV di sovratensione. I transitori indotti dai fulmini possono verificarsi a causa di fulmini diretti sui circuiti elettrici esterni che producono sovratensioni, fulmini indiretti che inducono sovratensioni nei conduttori o flussi di corrente di terra dovuti ai fulmini. Si noti che i soppressori TVS di ESD non sono destinati alla protezione contro i fulmini diretti, ma sono comunque necessari in quanto questi fulmini possono inviare transitori nei sistemi di distribuzione elettrica per distanze anche di 2 km.

La norma IEC 61000-4-5 definisce una tipica forma d'onda di tensione da fulmine (Figura 3).

Figura 3: Questa è la forma d'onda dell'impulso da fulmine definita dalla norma IEC 61000-4-5 (I_PP è la corrente di picco). (Immagine per gentile concessione di Eaton)

La norma IEC 61000-4-5 specifica anche i livelli di tensione di prova per l'immunità ai picchi transitori in classi di apparecchiature elettriche/elettroniche (Figura 4).

I livelli sono definiti dall'applicazione finale:

• Classe 1: Ambiente parzialmente protetto
• Classe 2: Ambiente elettrico in cui i cavi sono ben separati, anche in caso di tratte brevi
• Classe 3: Ambiente elettrico in cui i cavi di alimentazione e di segnale corrono in parallelo
• Classe 4: Ambiente elettrico in cui le interconnessioni sono eseguite come cavi esterni insieme a cavi di alimentazione, e i cavi sono utilizzati sia per i circuiti elettronici che per quelli elettrici.

Figura 4: La norma IEC 61000-4-5 definisce quattro classi di livelli di prova per l'immunità ai picchi transitori. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

3) La norma IEC 61000-4-4 riguarda la protezione dagli EFT (Figura 5). Gli EFT sono causati dal funzionamento di carichi induttivi, come i motori per impieghi gravosi, i relè, i contattori di commutazione nei sistemi di distribuzione dell'energia e l'inserimento o il disinserimento di apparecchiature di correzione del fattore di potenza.

Figura 5: La forma d'onda dell'impulso EFT è caratterizzata dalla norma IEC 61000-4-4. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Si noti che gli EFT sono spesso caratterizzati semplicemente da due numeri accoppiati: il tempo di salita al valore di picco (t₁) e la durata dell'impulso fino alla caduta del transitorio al 50% del valore di picco (t₂). Il transitorio di 8/20 µs è un impulso comune nelle applicazioni industriali.

L'entità della tensione transitoria ESD che un circuito o un sistema deve sopportare dipende dall'applicazione. Sono definite tre classi da MIL-STD-883, ampiamente utilizzato nel settore militare e dai sistemi militari e aerospaziali (Figura 6).

Figura 6: Esistono tre livelli di classificazione della sensibilità ESD secondo il metodo MIL-STD-883 numero 3015. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

I dispositivi TVS risolvono il problema

Per soddisfare vari requisiti e proteggere i loro sistemi, i progettisti possono utilizzare i diodi TVS. I diodi TVS sono dispositivi al silicio per la protezione dalle sovratensioni che funzionano in base al principio del cedimento a valanga del diodo. Sono installati in parallelo al circuito normale per proteggere i componenti interni da tensioni di breve durata (transitorie) e medio/alte (Figura 7).

Figura 7: Il diodo TVS viene posizionato sull'ingresso, tra la linea da proteggere e la massa del sistema. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Nel funzionamento normale, non transitorio, i diodi TVS mantengono un'impedenza elevata e non interferiscono con la trasmissione di potenza o di segnale attraverso le apparecchiature. Tuttavia, quando un diodo TVS subisce una scossa istantanea ad alta energia attraverso i terminali, protegge gli elementi del circuito a valle entrando rapidamente in uno stato di bassa impedenza (chiamato cedimento a valanga) per assorbire la grande corrente e bloccare la tensione a un livello sicuro.

I diodi TVS sono disponibili come dispositivi a giunzione P-N unidirezionali o bidirezionali. Nonostante i nomi, la maggior parte dei diodi TVS unidirezionali sopprime le tensioni in entrambe le polarità. La differenza è che i tipi unidirezionali hanno proprietà asimmetriche di tensione-corrente (V-I), mentre i diodi TVS bidirezionali hanno proprietà V-I simmetriche (Figura 8). I diodi TVS bidirezionali sono adatti a proteggere i nodi elettrici con segnali bidirezionali o sia sopra che sotto la tensione di terra.

Figura 8: I nomi dei diodi TVS non riflettono alcuna direzionalità intrinseca. I diodi TVS unidirezionali hanno invece proprietà di tensione-corrente (V-I) asimmetriche, mentre i diodi bidirezionali hanno proprietà V-I simmetriche. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Parametri, confezionamento e posizionamento di alto livello definiscono le prestazioni del TVS

I diodi TVS sono definiti da numerose specifiche di alto livello. Tra questi si ricordano:

• Tensione massima nominale di interdizione inversa (V_RWM): chiamata anche tensione di stallo inversa, è la tensione massima di funzionamento di un diodo TVS quando è "OFF".
• Tensione di cedimento (V_BR): tensione alla quale si verifica il cedimento a valanga di un diodo TVS, con conseguente bassa impedenza.
• Corrente di dispersione inversa (I_R): corrente che attraversa un diodo TVS quando è sotto tensione inversa.
• Tensione di tenuta all'impulso (Vc): la tensione attraverso un diodo TVS alla corrente impulsiva di picco (I_pp).
• Capacità elettrica: misura la carica immagazzinata, generalmente in picofarad, tra il pin di ingresso e un altro punto di riferimento (spesso la terra), tipicamente misurata con un segnale a 1 MHz.
• Corrente di picco (I_pp): la differenza tra l'ampiezza massima positiva e quella massima negativa di una forma d'onda di corrente.

La scelta di un diodo TVS è in genere un processo a quattro fasi:

1. Selezionare un diodo con una tensione di interdizione superiore alla normale tensione di funzionamento.
2. Verificare che la corrente di picco specificata superi la corrente di picco prevista e assicurarsi che il diodo sia specificato per gestire la potenza richiesta durante un evento transitorio.
3. Calcolare la tensione di tenuta all'impulso massima (V_CL) del diodo selezionato
4. Confermare che la V_CL calcolata sia inferiore al valore massimo assoluto specificato per il pin protetto.

Il posizionamento dei dispositivi TVS sul circuito stampato è fondamentale per sfruttare appieno le prestazioni di questi dispositivi. Per una protezione ottimale dai picchi transitori, i diodi devono essere posizionati il più vicino possibile al punto di ingresso della tensione, come le porte di I/O, per ridurre al minimo l'impatto delle correnti parassite sull'effettiva soppressione delle sovracorrenti transitorie veloci.

TVS che esemplificano la gamma delle offerte

I diodi TVS di Eaton sono adatti alla protezione dalle sovratensioni nelle interfacce I/O e nelle linee di segnale digitali e analogiche ad alta velocità. Offrono tensioni di tenuta all'impulso molto basse, elevata potenza di picco, elevata dissipazione di corrente e tempi di risposta di un nanosecondo.

Il confezionamento del diodo TVS è strettamente legato alle specifiche. Sono disponibili sia contenitori a montaggio superficiale che a foro passante, dove questi ultimi offrono prestazioni più elevate in termini di tensione/corrente.

I diodi TVS devono proteggere da un ampio intervallo di tensioni e correnti. Pertanto, un unico valore della tensione nominale e degli altri parametri non può soddisfare tutte le situazioni EFT. Esempi di quattro famiglie diverse illustrano questi punti.

1) La serie SMFE ha una potenza di picco di 200 W con una forma d'onda di 10/1000 µs. I dispositivi sono alloggiati in un contenitore SOD-123FL a profilo ribassato a montaggio superficiale che misura 2 × 3 × 1,35 mm e ottimizza lo spazio sulla scheda per i dispositivi mobili e indossabili.

Un esempio della serie è il modello SMFE5-0A (Figura 9). Ha una tensione di tenuta all'impulso di 9,2 V, una I_pp di 21,7 A e supporta casi d'uso unidirezionali o bidirezionali. La corrente di dispersione inversa è inferiore a 1 μA al di sopra dei 10 V e il tempo di risposta è rapido, tipicamente inferiore a 1,0 ps da 0 V a V_BR.

Figura 9: Il diodo TVS SMFE5-0A da 9,2 V è disponibile in un contenitore SOD-123FL a profilo ribassato a montaggio superficiale ed è destinato ad applicazioni mobili e indossabili. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

2) La serie ST protegge una linea di I/O bidirezionale e si rivolge a porte USB e altre porte dati, touchpad, pulsanti, alimentazione c.c., connettori RJ-45 e antenne RF. I componenti di questa famiglia, come il modello STS321120B301 da 33 V e 12 A I_pp, sono alloggiati in un contenitore minuscolo SMT SOD-323 di 1,8 × 1,4 × 1,0 mm e hanno una potenza nominale di 400 W di picco per linea (t_P = 8/20 μs). I diodi di questa serie supportano tensioni di lavoro comprese tra 2,8 V _c.c. e 70 V_c.c. con una bassissima capacità elettrica, di soli 0,15 pF. Questi diodi forniscono una protezione ESD fino a 30 kV (secondo IEC 61000-4-2).

3) La serie AK comprende diodi TVS ad alta potenza con protezione fino a 10.000 A ed è progettata per soddisfare ambienti di prova severi per applicazioni in c.a. e c.c. Questi diodi presentano una bassa resistenza alla pendenza e un fattore di tenuta all'impulso superiore grazie alla tecnologia snapback. Soddisfano gli standard UL1449 dei dispositivi di protezione dai picchi transitori per applicazioni quali prodotti elettronici consumer, elettrodomestici, automazione industriale o protezione di linee in c.a. (Nota: la resistenza alla pendenza o dinamica è la resistenza offerta dal diodo quando viene applicata una tensione c.a.; lo snapback è un processo del dispositivo in cui la conduzione di grandi correnti continua anche a tensioni inferiori).

Per soddisfare i requisiti di amperaggio e UL, i dispositivi di questa serie utilizzano un confezionamento a fori passanti con terminale assiale come quello utilizzato per il modello AK6E-066C, un morsetto da 120 V e un diodo da 6000 A I_pp (Figura 10). Questo diodo misura 25 mm lungo i conduttori, con un corpo "centrale" quasi quadrato che misura circa 13 × 15 mm.

Figura 10: Il diodo TVS ad alta potenza da 120 V AK6E-066C offre una protezione fino a 10.000 A ed è alloggiato in un contenitore a terminale assiale a foro passante. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

4) La serie SMAJExxH di diodi TVS è unica nel suo genere in quanto è qualificata secondo gli standard AEC-Q101 richiesti per le applicazioni automotive. Questi dispositivi forniscono una potenza di impulso di 400 W di picco (con una forma d'onda di 10/1000 μs) e hanno un tempo di risposta breve, tipicamente inferiore a 1,0 ps da 0 V a V_BR, oltre a una I_R inferiore a 1 μA sopra i 10 V.

I dispositivi di questa famiglia vanno da 5 a 440 V con versioni unidirezionali e bidirezionali per ogni tipo e includono il modello SMAJE22AH, che presenta una tensione di tenuta all'impulso di 35,5 V con 11,3 A I_pp (Figura 11). Tutti i dispositivi della serie sono alloggiati in contenitori in plastica a montaggio superficiale di 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (massimo) e soddisfano la classificazione di infiammabilità UL 94 V-0 (Figura 11).

Figura 11: Il diodo TVS da 35,5 V SMAJE22AH è conforme agli standard automotive previsti da AEC-Q101; utilizza inoltre un contenitore in plastica conforme allo standard di infiammabilità UL 94 V-0. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Conclusione

I transitori elettrici dovuti all'elettricità statica, all'avvio di un motore o alla presenza di un fulmine possono danneggiare i sistemi elettronici e i loro componenti. I diodi TVS rispondono a queste sovratensioni quasi istantaneamente e deviano la tensione e l'energia transitoria verso terra, proteggendo così il sistema. Come illustrato, Eaton offre diverse serie di diodi TVS, ognuna comprendente numerosi dispositivi con tensioni nominali diverse per soddisfare la tensione transitoria prevista, i vincoli del prodotto finale e i mandati normativi, pur richiedendo solo pochi millimetri quadrati di spazio sul circuito stampato.