Wyładowanie elektrostatyczne trwa bardzo krótko, lecz jego przebieg jest niezwykle gwałtowny: czoło impulsu narasta w czasie krótszym niż nanosekunda, a prąd szczytowy może osiągać dziesiątki amperów. Jednym z podstawowych środków ochrony przed tymi destrukcyjnymi zdarzeniami są transile.
Zadanie diody TVS jest proste – po przekroczeniu określonego napięcia przejmuje ona prąd płynący przez chronioną linię i ogranicza przepięcie docierające w głąb układu. Dobór tego rodzaju komponentów nie może jednak kończyć się na określeniu napięcia znamionowego. Trzeba bowiem uwzględnić szereg parametrów, które nie tylko zapewniają wymaganą przez normy EMC skuteczność zabezpieczenia, ale także minimalizują wpływ wielkości pasożytniczych transila na działanie układu. Zanim jednak przejdziemy do parametrów katalogowych i aspektów implementacyjnych, przypomnimy kilka najistotniejszych norm i pojęć dotyczących ochrony przed zdarzeniami ESD oraz innymi narażeniami wysokonapięciowymi.
Wyładowanie stykowe i przez szczelinę powietrzną
Podstawowym dokumentem dotyczącym odporności kompletnego urządzenia jest międzynarodowa norma IEC 61000-4-2:2025. W metodzie stykowej (ang. contact discharge) metalowa końcówka generatora wysokonapięciowego dotyka badanego punktu jeszcze przed wyzwoleniem impulsu. Taki scenariusz testów zapewnia dobrą powtarzalność wyników i dlatego jest metodą preferowaną dla dostępnych części przewodzących urządzenia. Podczas próby wyładowania przez szczelinę powietrzną (ang. air discharge) napięcie jest włączane wcześniej, a impuls powstaje po zbliżeniu końcówki i przebiciu powietrza. Metodę tę stosuje się głównie do powierzchni izolacyjnych (np. obudowy czy wyświetlacza) oraz miejsc, w których z uwagi na konstrukcję mechaniczną nie można wykonać wyładowania stykowego. Norma uwzględnia także wyładowania pośrednie do tzw. płaszczyzn sprzęgających.
Generator IEC 61000-4-2 bazuje na standardowej sieci RC 150 pF/330 Ω – kondensator jest ładowany do danego napięcia, a następnie rozładowywany przez szeregowy rezystor do metalowej końcówki testera. Dla wyładowania stykowego czas narastania prądu wynosi około 0,8 ns, a przy napięciu 8 kV prąd szczytowy sięga około 30 A. Standardowe poziomy probiercze to ±2, ±4, ±6 i ±8 kV dla metody stykowej oraz ±2, ±4, ±8 i ±15 kV dla metody powietrznej. Warto zwrócić uwagę na fakt, że poziomy napięcia są podawane ze znakiem ± – impulsy generowane przez symulator ESD muszą być bowiem dostarczane w obu polaryzacjach względem potencjału masy/uziemienia. Parametry generatora i poziomy testowe przedstawiono m.in. w opracowaniu dotyczącym badań IEC 61000-4-x.
IEC 61000-4-2 vs. inne normy ESD
Warto dodać, że w kartach katalogowych układów scalonych występują również informacje o odporności danego komponentu na zdarzenia ESD wg modeli HBM (ang. Human Body Model) według normy ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2024 i CDM (ang. Charged Device Model) według ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2025. Przykład odwołania do tego pierwszego możemy znaleźć np. w nocie katalogowej kontrolera przetwornicy DC/DC typu MC34063A:
Nie należy jednak mylić modeli HBM i CDM z normą IEC 61000-4-2 – wspomniane modele dotyczą bowiem testów realizowanych na poziomie pojedynczych komponentów i stąd związanych przede wszystkim z produkcją i montażem. Nie są to więc zamienniki badań urządzenia według standardu IEC 61000-4-2, dotyczącego ochrony ESD na poziomie systemowym (czyli już w gotowym urządzeniu). Choć deklarowany w przytoczonym przykładzie poziom odporności HBM wynosi 2 kV, czyli tyle samo co najniższy poziom testu stykowego według IEC 61000-4-2, warunki obu prób są zupełnie inne – pojemność jest o 1/3 niższa i wynosi 100 pF, ale za to rezystancja szeregowa to aż 1,5 kΩ. Oznacza to, że wbudowane diody zabezpieczające w strukturach układów scalonych nie są w stanie zastąpić diody TVS, gdyż ich wytrzymałość jest znacznie niższa, a zadaniem wbudowanej ochrony ESD nie jest przejmowanie dużego ładunku zgromadzonego w normalnych warunkach użytkowania urządzenia, ale rozpraszanie niewielkich ładunków statycznych mogących powstawać podczas montażu bądź pakowania układów scalonych. Innymi słowy: odporność HBM lub CDM wbudowanych struktur zabezpieczających nie oznacza automatycznie odporności urządzenia na test według IEC 61000-4-2, chyba że producent jednoznacznie deklaruje wymaganą odporność IEC dla konkretnych wyprowadzeń i warunków pracy.
W przypadku transili w notach katalogowych można zwykle znaleźć odwołania zarówno do norm ESD dotyczących testowania komponentów, jak i standardów ochrony na poziomie systemowym. Przykład – fragment katalogu niezwykle popularnej serii diod TVS typu P6SMB – można znaleźć na poniższym rysunku.
Co ważne, podawana w karcie katalogowej odporność transila na impulsy o przebiegu zgodnym z IEC 61000-4-2 także jest parametrem komponentu, a nie potwierdzeniem zgodności kompletnego urządzenia. Wynik badania systemowego zależy również od rozmieszczenia elementów, indukcyjności połączeń, drogi przepływu prądu czy konstrukcji mechanicznej urządzenia – najważniejszymi aspektami implementacyjnymi zajmiemy się w kolejnych odcinkach tego cyklu.
Wymagania ESD znajdziemy także w normach produktowych. Dla przykładu: standard IEC 60601-1-2, dotyczący kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń medycznych, odnosi się wprost do IEC 61000-4-2 – co więcej, aktualna edycja IEC 60601-1-2:2014+A1:2020, określana jako wydanie 4.1, podniosła poziomy napięć testowych do maksymalnych poziomów przewidzianych przez 61000-4-2, czyli do ±8 kV wyładowania stykowego i ±15 kV wyładowania powietrznego. Z kolei w branży motoryzacyjnej stosuje się standard ISO 10605:2023, który przewiduje inne kombinacje pojemności i rezystancji generatora, m.in. pojemność 330 pF oraz rezystancję szeregową 2000 Ω, a także poziomy wyładowań powietrznych aż do ±25 kV.
ESD, burst i surge – rodzaje narażeń wysokonapięciowych w testach EMC
W tym miejscu należy wspomnieć, że transile stosuje się nie tylko jako zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi, ale także w celu ochrony przed seriami szybkich stanów przejściowych (ang. EFT/burst) i udarami napięciowymi (ang. surge).
Norma IEC 61000-4-4:2012 opisuje serie impulsów 5/50 ns (czas narastania 5 ns, czas trwania impulsu 50 ns), powtarzanych zwykle z częstotliwością 5 lub 100 kHz. Dla 5 kHz seria trwa 15 ms i jest powtarzana co 300 ms, zaś przy 100 kHz czas trwania „paczki” impulsów to 0,75 ms. Poziomy 1-4 zdefiniowane w normie 61000-4-4 wynoszą 500 V, 1 kV, 2 kV i 4 kV w przypadku portów zasilania oraz 250 V, 500 V, 1 kV i 2 kV w przypadku linii sygnałowych i sterujących. Zabezpieczenie musi zatem przetrwać nie jeden impuls, lecz całą serię gęstych „paczek” powtarzanych ponad 3 razy na sekundę.
Standard IEC 61000-4-5:2014+A1:2017 dotyczy badania odporności urządzeń na udary wywołane przepięciami łączeniowymi oraz skutkami wyładowań atmosferycznych. Generator fali kombinowanej wytwarza napięcie nieobciążone o przebiegu 1,2/50 µs oraz prąd zwarciowy o przebiegu 8/20 µs, zaś typowe poziomy napięcia probierczego wynoszą 0,5, 1, 2 i 4 kV. Dla generatora o impedancji wyjściowej 2 Ω odpowiadają im nominalne prądy zwarciowe od około 250 A do 2 kA, jednak rzeczywisty prąd doprowadzony do badanego urządzenia zależy również od jego impedancji oraz zastosowanej sieci sprzęgającej.
Podsumowanie
Zakres zastosowań diod TVS jest niezwykle szeroki i to zarówno pod względem rodzaju chronionych obwodów (od szybkich linii danych i delikatnych wejść analogowych, aż po sieciowe obwody zasilania), jak i typu zaburzeń (wyładowania elektrostatyczne, serie szybkich impulsów czy udary). Z tego względu w notach katalogowych transili można znaleźć odwołania do szeregu norm, których wymagania można spełnić prawidłowo stosując odpowiednio dobrane komponenty. W artykule opisaliśmy w pigułce najważniejsze standardy międzynarodowe oraz zdefiniowane przez nie napięcia i prądy impulsów testowych. W kolejnej części tego cyklu przyjrzymy się znaczeniu najważniejszych parametrów, które można znaleźć w notach katalogowych transili.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components
Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com
