TVS Diyot Koruması: Geçici Gerilim Bastırma için Uygulama Notu

TVS Diyot Korumasına Genel Bakış

TVS diyot koruması; güç hatlarını, veri hatlarını, analog girişleri, anahtarlama düğümlerini ve hassas yarı iletken bileşenleri kısa süreli gerilim darbelerine karşı korumak için elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılır.

Yüksek genlikli gürültüler, elektromanyetik girişim, elektrostatik deşarj, endüktif yük anahtarlamaları ve ani gerilim darbeleri, bir hattaki gerilimin bağlı devrenin güvenli çalışma aralığının üzerine çıkmasına neden olabilir. Bu gerilim tepeleri sınırlandırılmazsa devrenin normal çalışmasını bozabilir veya korumasız bileşenlerde kalıcı hasara yol açabilir.

Bu uygulama notu; TVS diyotların temel çalışma prensibini, yaygın koruma konfigürasyonlarını, tek yönlü ve çift yönlü TVS diyotlar arasındaki farkları ve elektronik donanım tasarımında geçici gerilim bastırma için dikkat edilmesi gereken seçim kriterlerini ele almaktadır.

1. Genel Tanım

Yüksek genlikli sinyal gürültüleri, elektromanyetik girişim (EMI), elektrostatik deşarj (ESD) ve benzeri etkiler, bir iletim hattı veya güç hattı üzerindeki gerilim tepe seviyesini artırabilir. Bu geçici gerilim darbeleri, korumasız devre bileşenlerinin normal çalışmasını etkileyebilir ve zamanla kalıcı hasara neden olabilir.

Bu riski azaltmak için farklı diyot tabanlı koruma yöntemleri kullanılır. Bu amaçla en yaygın kullanılan koruma bileşenlerinden biri TVS diyot, yani Transient Voltage Suppression diyottur.

TVS diyotlar, geçici gerilim darbelerine çok hızlı tepki vermek ve korunan devre üzerindeki gerilimi daha güvenli bir seviyede sınırlandırmak için tasarlanır. Uygulamaya bağlı olarak DC güç hatlarında, AC hatlarda, dijital arayüzlerde, analog sinyal yollarında ve haberleşme hatlarında kullanılabilirler.

Şekil 1: Tek yönlü ve çift yönlü TVS diyot sembolleri. (A) Tek yönlü TVS diyot sembolü. (B) Çift yönlü TVS diyot sembolü.

2. Geçici Gerilim Darbelerine Karşı Koruma Seçenekleri

Bir sistemi geçici gerilim darbelerine karşı korumak için farklı diyot tabanlı devre konfigürasyonları kullanılabilir. Her konfigürasyon aşırı gerilim olaylarını bastırabilir; ancak koruma davranışı, clamping seviyesi, kapasitans, polarite tepkisi ve kullanım alanı birbirinden farklı olabilir.

Şekil 2: Korunan sistemler ve Line 1 / Line 2 bağlantıları için temsilî koruma konfigürasyonları. (A) Tek yönlü TVS diyot koruması. (B) Çift yönlü TVS ve dizi diyot koruması. (C) Çift yönlü TVS diyot koruması.(D) Tek yönlü TVS ve Schottky diyot koruması.

Doğru koruma yapısı; korunan hattın tipine, sinyal gerilimine, normal çalışma aralığına, beklenen geçici darbe enerjisine, veri hızına, kapasitans gereksinimine ve sistemin GND/referans koşullarına göre seçilmelidir.

3. TVS Diyotlar

TVS diyotlar, güç hatlarında veya veri hatlarında oluşabilecek geçici gerilim darbelerine karşı bağışıklık gerektiren uygulamalarda kullanılan koruma bileşenleridir. PCB seviyesinde ESD koruması için de yaygın olarak tercih edilirler.

Bir TVS diyot, geçici gerilimi daha güvenli bir seviyede sınırlandırarak devreyi korur. Geçici darbe sırasında gerilime bağlı düşük empedanslı bir yol gibi davranır ve geçici akımı korunan devreden uzağa yönlendirir.

TVS diyotların V-I karakteristiği Zener diyotlara benzer olsa da tasarım amaçları farklıdır. Zener diyotlar genellikle gerilim regülasyonu için tasarlanırken, TVS diyotlar özellikle kısa süreli geçici gerilim darbelerini bastırmak için tasarlanır.

Başka bir ifadeyle TVS diyotlar; bir hatta bağlı bileşenleri gerilim sıçramaları, ESD olayları, surge darbeleri ve diğer geçici bozucu etkilerden korumak için seçilir.

Şekil 3: Geçici darbe sırasında TVS diyotun temel çalışma prensibi.

TVS diyotlar paralel koruma elemanları olarak çalışır. Normal çalışma koşullarında TVS diyot, korunan devreye yüksek empedans gösterir. İdeal bir açık devre olmadığı için az miktarda sızıntı akımı akabilir; ancak pratikte normal çalışma sırasında açık devre gibi davranır.

Korunan hat üzerindeki gerilim, hedeflenen koruma eşiğini aştığında TVS diyot iletime geçer ve geçici akım için düşük empedanslı bir yol sağlar. Böylece geçici akım korunan sistemden uzaklaştırılarak kaynağa, geri dönüş yoluna veya geçici enerjinin güvenli şekilde sönümlenebileceği bir yola yönlendirilir.

Korunan devre üzerindeki gerilim, TVS diyotun clamping voltage seviyesiyle sınırlandırılır. Geçici darbe etkisini kaybettikten sonra TVS diyot yeniden yüksek empedans durumuna geri döner.

Bir TVS diyotun absorbe edebileceği geçici güç; kılıf yapısına, silikon çip boyutuna, PCB bağlantı geometrisine, bakır alanına, termal yola ve darbe süresine bağlıdır. Bu nedenle hem TVS diyot datasheet’i hem de PCB yerleşimi birlikte değerlendirilmelidir.

TVS diyotların en önemli avantajlarından biri hızlı tepki süresidir. Teorik olarak düşük empedans durumuna geçiş çok kısa zaman ölçeklerinde gerçekleşebilir. Bu tepki sürelerini birçok pratik koşulda doğrudan ölçmek zor olduğundan, TVS diyotlar çoğu zaman “neredeyse anında tepki” veren bileşenler olarak tanımlanır.

Hızlı tepki süreleri ve görece düşük clamping voltage seviyeleri, TVS diyotları PCB seviyesinde hassas bileşenleri korumak için uygun hale getirir.

4. Dizi Diyotlar

Dizi diyotlar; switching diyotlar, avalanche diyotlar, Schottky diyotlar veya benzer diyot elemanlarının bir kılıf ya da devre konfigürasyonu içinde birleştirilmesiyle oluşturulan koruma yapılarıdır. Düşük kapasitans ve kompakt çok hatlı koruma sağlayabildikleri için veri hatlarında ESD ve EMI koruması amacıyla yaygın olarak kullanılırlar.

Birçok uygulamada dizi diyotlar, geçici akımı doğrudan sinyal hattı üzerinde absorbe etmek yerine besleme hattına veya referans hattına yönlendirir. Etkili minimum clamping davranışları, iç diyotların ileri yön gerilimi ve akımın yönlendirildiği hattın gerilim seviyesiyle sınırlı olabilir.

Şekil 4: Geçici akımın besleme/referans hatlarına yönlendirildiğini gösteren dizi diyot koruma örneği.

Düşük gerilimli sinyal uygulamalarında, düşük ileri yön gerilimine sahip oldukları için Schottky diyotlar da kullanılabilir. Bu, koruma yolunun iletime geçmeye başladığı gerilim seviyesini düşürmeye yardımcı olabilir.

Ancak dizi diyotlar akımı bir besleme hattına yönlendirdiğinde, bu hattın geçici enerjiyi güvenli şekilde absorbe edebilmesi veya sönümleyebilmesi gerekir. Aksi halde besleme gerilimi yükselebilir ve devrenin diğer bölümlerinde ek stres oluşturabilir.

5. Tek Yönlü ve Çift Yönlü TVS Diyotlar Arasındaki Farklar

TVS diyotlar tek yönlü ve çift yönlü yapıda bulunabilir. Dizi diyotlar genellikle tek yönlü rail-clamping koruması için kullanılır; ancak uygulamaya bağlı olarak daha karmaşık konfigürasyonlar da oluşturulabilir.

Hem tek yönlü hem de çift yönlü TVS diyotlar pozitif ve negatif geçici gerilim darbelerine karşı koruma sağlayabilir. Ancak clamping davranışları farklıdır.

Şekil 5: Tek yönlü ve çift yönlü TVS diyotların V-I karakteristikleri.

Tek yönlü bir TVS diyotta clamping davranışı pozitif ve negatif polarite koşullarında farklıdır. Bir yönde bileşen ileri kutuplandırılmış diyot gibi davranır. Diğer yönde ise breakdown bölgesinde çalışır.

Çift yönlü bir TVS diyotta ise bileşen her iki polaritede de benzer breakdown davranışı gösterir. Bu durum çift yönlü TVS diyotları AC hatlar, bipolar sinyal hatları ve sinyalin referans seviyesinin hem üzerine hem de altına salınabildiği arayüzler için uygun hale getirir.

Birçok uygulamada ilk bakışta hem tek yönlü hem de çift yönlü TVS diyot kullanılabilir gibi görünebilir. Ancak devreye bağlı olarak bu iki yapıdan biri belirgin bir avantaj sağlayabilir.

Örneğin DC güç kaynağı koruması veya lojik seviye devre koruması gibi uygulamalarda çoğunlukla tek yönlü TVS diyot tercih edilir. Böylece negatif geçici darbelerde daha düşük clamping seviyesinden yararlanılabilir.

Çift yönlü TVS diyotlar ise genellikle AC güç hatlarında, diferansiyel arayüzlerde, uzun mesafeli veri hatlarında ve alıcı ile verici arasındaki GND referansının kayabileceği sistemlerde tercih edilir. Ayrıca common-mode offset voltage etkisinin görülebileceği uygulamalarda da avantaj sağlayabilirler.

Bazı durumlarda çift yönlü TVS diyotlar, devre şemalarında metal oksit varistörlere (MOV) alternatif veya onların yerine geçebilecek bileşenler olarak da seçilebilir.

Pratik bir özet olarak:

• Tek yönlü TVS diyotlar, referans potansiyelinin iyi tanımlandığı DC güç hatlarında, kısa mesafeli veri hatlarında ve lojik seviye koruma devrelerinde yaygın olarak kullanılır.

• Çift yönlü TVS diyotlar, AC hatlarda, bipolar sinyal hatlarında, uzun mesafeli veri hatlarında ve referans potansiyeli farklarının oluşabileceği sistemlerde yaygın olarak kullanılır.

6. TVS Diyot Seçimi

Doğru TVS diyotu seçmek yalnızca bir gerilim değeri seçmekten ibaret değildir. Seçilen bileşen normal çalışma sırasında pasif kalmalı, geçici darbe sırasında hızlı tepki vermeli, gerilimi korunan devrenin hasar eşiğinin altında sınırlamalı ve beklenen geçici darbe enerjisine dayanabilmelidir.

TVS diyot seçimi yapılırken aşağıdaki noktalar dikkate alınmalıdır.

6.1. Çalışma gerilimi ve breakdown voltage

TVS diyot normal çalışma sırasında iletime geçmemelidir. Bu nedenle çalışma stand-off gerilimi, korunan hattın maksimum normal çalışma geriliminden yüksek olmalıdır.

Breakdown voltage, TVS diyotun normal çalışma sırasında değil, anormal bir aşırı gerilim olayı sırasında iletime geçmesini sağlayacak şekilde seçilmelidir.

6.2. Clamping voltage

Clamping voltage, bağlı devreyi koruyacak kadar düşük olmalıdır. Bu değer, korunan bileşenlerin absolute maximum ratings değerleriyle karşılaştırılmalıdır.

Clamping voltage, korunan entegre veya devre bloğunun hasar eşiğinden yüksekse, TVS diyot iletime geçse bile yeterli koruma sağlayamayabilir.

6.3. Peak pulse power dissipation

TVS diyot beklenen geçici darbe enerjisini absorbe edebilmeli veya güvenli bir yola yönlendirebilmelidir. Bu nedenle peak pulse power dissipation değeri dikkatle kontrol edilmelidir.

Bu değerin sıcaklıkla birlikte azalabileceği de unutulmamalıdır. Gerçek çalışma koşulları için datasheet’te verilen termal derating eğrileri incelenmelidir.

6.4. Kapasitans

Yüksek hızlı veri hatlarında, RF hatlarında, haberleşme arayüzlerinde ve hassas analog devrelerde TVS diyotun kapasitans değeri önemli bir parametredir.

Yüksek kapasitanslı bir TVS diyot hızlı sinyalleri bozabilir, yükselme/düşme sürelerini artırabilir, bant genişliğini azaltabilir veya sinyal bütünlüğünü etkileyebilir. Benzer sinyal hatlarında kanal eşleşmesini korumak için benzer kapasitans değerlerine sahip koruma bileşenleri seçilmelidir.

6.5. Common-mode voltage ve referans farkları

Alıcı ve verici GND referanslarının mesafe nedeniyle veya farklı bağlantı noktaları üzerinden ayrıldığı sistemlerde common-mode voltage önemli hale gelebilir.

Bu tür uygulamalarda çift yönlü TVS bileşenleri veya common-mode voltage farklarına uygun koruma yapıları gerekebilir.

6.6. Sızıntı akımı

Sızıntı akımı özellikle yüksek empedanslı sensör girişlerinde, düşük güç tüketimli devrelerde, batarya beslemeli sistemlerde ve hassas analog uygulamalarda dikkate alınmalıdır.

Sızıntı akımı küçük olsa bile hassas tasarımlarda ölçüm hatasına neden olabilir veya bekleme akımını artırabilir.

6.7. PCB yerleşimi

Koruma bileşeni, geçici darbe kaynağının giriş noktasına yakın yerleştirilmelidir. Konnektör ile TVS diyot arasındaki uzun iletim hatları parazitik endüktansı artırır ve koruma etkinliğini azaltır.

İyi bir TVS diyot yerleşimi şu özellikleri sağlamalıdır:

• korunan hattan TVS diyota kısa bir yol,

• kısa ve düşük empedanslı bir geri dönüş yolu,

• akım ve ısı dağılımı için yeterli bakır alanı,

• geçici akım yolunda minimum döngü alanı.

7. Diyot Konfigürasyonları ve Clamping Voltage Seviyeleri

Farklı TVS diyot ve dizi diyot konfigürasyonları, pozitif ve negatif geçici darbeler için farklı clamping voltage seviyeleri oluşturur. Koruma yöntemi seçilirken bu farklılıklar dikkate alınmalıdır.

Tablo 1: Diyot konfigürasyonları ve karşılık gelen clamping voltage davranışı.

Bu tablo; tek yönlü TVS diyotları, çift yönlü TVS diyotları, düşük kapasitanslı dizi diyotları, Schottky diyot yapılarını ve birleşik TVS koruma konfigürasyonlarını karşılaştırır.

Pratikte en uygun konfigürasyon; hat gerilimine, sinyal yönüne, gerekli kapasitans değerine, geçici darbe polaritesine, rail davranışına ve korunan sistemin kabul edilebilir clamping voltage seviyesine bağlıdır.

8. TVS Diyotların Kullanıldığı Örnek Uygulamalar

TVS diyotlar birçok farklı koruma devresinde kullanılabilir. Tek başlarına kullanılabilecekleri gibi MOV’lar, choke bobinleri, Schottky diyotlar, dizi diyotlar, doğrultucular ve giriş empedansı elemanlarıyla birlikte de kullanılabilirler.

Tablo 2: TVS diyotların kullanıldığı örnek uygulamalar.

Tipik uygulama örnekleri şunlardır:

• MOV ve choke destekli TVS koruması,

• DC yük koruması,

• AC güç kaynağı koruması,

• DC devrelerin elektromanyetik girişimlere karşı korunması,

• opamp çıkışı koruması,

• değişken frekanslı sürücü uygulamalarında inverter, MOSFET ve IGBT modül koruması.

Güç uygulamalarında TVS diyotlar çoğu zaman daha geniş bir koruma stratejisinin parçası olarak kullanılır. MOV’lar, common-mode choke bileşenleri, sigortalar, akım sınırlama elemanları, snubber ağları ve uygun GND veya ekranlama yapılarıyla birlikte çalışabilirler.

Sinyal seviyesi uygulamalarında ise TVS diyotlar genellikle hızlı tepki, düşük kapasitans, düşük sızıntı akımı ve uygun clamping voltage değerine göre seçilir.

9. Sonuç

TVS diyotlar, elektronik devrelerde kısa süreli geçici gerilim darbelerini sınırlandırmak için etkili koruma bileşenleridir. Hassas bileşenleri ESD, EMI kaynaklı bozucu etkiler, surge olayları, endüktif anahtarlama darbeleri ve diğer aşırı gerilim koşullarına karşı koruyabilirler.

Bir TVS diyot; normal çalışma gerilimi, beklenen geçici darbe enerjisi, clamping voltage, kapasitans, sızıntı akımı, polarite ve PCB yerleşim kısıtları dikkate alınarak seçilmelidir.

Tek yönlü TVS diyotlar genellikle DC hatlar ve lojik seviye koruma için uygundur. Çift yönlü TVS diyotlar ise AC hatlar, bipolar sinyaller ve referans potansiyel farklarının oluşabileceği sistemler için daha uygundur. Dizi diyotlar ve Schottky tabanlı konfigürasyonlar, düşük kapasitans ve hızlı sinyal koruması gereken durumlarda faydalı olabilir.

Doğru seçilmiş ve doğru yerleştirilmiş bir TVS diyot; devre dayanıklılığını önemli ölçüde artırabilir, hassas bileşenleri koruyabilir ve geçici gerilim darbelerinden kaynaklanan hasar riskini azaltabilir.

10. Kaynakça

[1] AP-209 – Design Considerations for ESD Protection Using ESD Protection Diode Arrays, California Micro Devices, 1998.

[2] SI99-01 – PCB Design Guidelines for ESD Suppression, Semtech, 2002.

[3] AND8231/D – Circuit Configuration Options for TVS Diodes, Rev. 1, ON Semiconductor, 2017.

[4] SI9601 – TVS Diode Application Note, Rev. 9, Semtech, 2000.

[5] Transient Voltage Suppressors (TVS Diode) Applications Overview, Rev. 1, Littelfuse, 2015.