Utilice diodos de TVS asimétricos para proteger circuitos críticos de transientes procedentes de voltaje destructivos

Los picos o impulsos parásitos de voltaje transiente afectan a los circuitos electrónicos de varias formas, desde molestas hasta catastróficas. Estos transientes pueden originarse en fuentes como rayos y descargas electrostáticas o inductivas (Figura 1).

Figura 1: Pueden darse transientes procedentes de fuentes como rayos y descargas electrostáticas o inductivas, y causar estragos en los componentes electrónicos desprotegidos. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.).

Los transientes como estos pueden generar pulsos con voltajes máximos de cientos a decenas de miles de voltios, corrientes en el rango de kiloamperios y duraciones temporales de cientos de nanosegundos a milisegundos.

La miniaturización de los circuitos integrados (CI) y los procesadores, y la reducción de los voltajes de alimentación han aumentado la sensibilidad a los transientes eléctricos. Esto es especialmente cierto en los vehículos en los que múltiples sistemas electrónicos controlan todo, inclusive el motor, la dirección, los frenos, la climatización y el entretenimiento.

Se han desarrollado varias estrategias de diseño para proteger los circuitos sensibles, incluido el cableado blindado, los filtros, las palancas y los dispositivos de sujeción. El blindaje y el filtrado utilizan diseños pasivos, mientras que las palancas y la protección de sujeción utilizan mecanismos activos. Los dispositivos de palanca, como los espacios de chispa, los tubos de descarga de gas y los tiristores, derivan los transientes a tierra para proteger los circuitos. El dispositivo protegido no funciona mientras la palanca está activa, pero está operativo una vez que el transiente disminuye.

Los dispositivos de sujeción incluyen varistores de óxido de meta (MOV), diodos Zener y diodos de avalancha de supresión de voltaje transiente (TVS) que mantienen un voltaje constante a través del dispositivo protegido al variar su impedancia. Estas técnicas se pueden utilizar de forma individual o en simultaneo. Los diodos de TVS son bastante utilizados como dispositivos de sujeción debido a sus tiempos rápidos de respuesta y a su alta disipación de potencia.

Diodos de supresión de voltaje transiente

El diodo de TVS es un diodo de avalancha que actúa como un dispositivo de sujeción que deriva el exceso de corriente cuando el voltaje aplicado excede su voltaje de disruptivo de avalancha, manteniendo o sujetando el voltaje a un potencial constante. Se restablece de forma automática cuando el voltaje aplicado cae por debajo del valor disruptivo.

Los diodos de TVS están disponibles como dispositivos unidireccionales que protegen contra transientes de una sola polaridad y como dispositivos bidireccionales que protegen contra transientes de cualquiera de las polaridades (Figura 2). Los componentes bidireccionales pueden ser simétricos, que sujetan la misma amplitud de voltaje de polaridad, o asimétricos, que sujetan diferentes niveles de voltaje dependiendo de la polaridad del transiente.

Figura 2: Se muestran las características de ruptura corriente-voltaje de los tres tipos de dispositivos supresores de voltaje transitorio y sus símbolos esquemáticos. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.).

El diodo de TVS unidireccional funciona como un diodo simple, que conduce cuando tiene una polarización directa y no conduce cuando tiene una polarización indirecta hasta que se excede el voltaje disruptivo del diodo (V_BR). Cuando el voltaje aplicado excede V_BR, el diodo conduce, por lo que mantiene el voltaje a través de él hacia el voltaje de sujeción (V_C). El diodo puede disipar una potencia máxima de corriente de pulso máxima (I_PP) x V_C.

El diodo de TVS bidireccional actúa como dos diodos de transmisión recíproca. Una pequeña corriente de fuga inversa (I_R) fluye hasta que se excede el voltaje disruptivo (V_BR) en cualquier dirección. La operación es simétrica, pues la magnitud del voltaje disruptivo en cualquiera de las condiciones de polarización es la misma.

El diodo de TVS asimétrico actúa como el dispositivo bidireccional, a menos que los voltajes disruptivos (V_BR1 y V_BR2) difieran.

Diodo de TVS asimétrico

Quizás se pregunte por qué se necesita el diodo de TVS asimétrico. Estos componentes se diseñaron para proteger los controladores de compuerta en los MOSFET de carburo de silicio (SiC). Debido a la alta velocidad de los interruptores de SiC, estos controladores son propensos a sufrir daños por transientes de sobretensión. Considere un MOSFET de SiC para la carga a bordo o un inversor de tracción (Figura 3).

Figura 3: Se muestra el supresor de voltaje transitorio TPSMB1505CA asimétrico que protege el controlador de compuerta de un interruptor MOSFET del sistema en chip (SiC). (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.).

El TVS TPSMB1505CA asimétrico de Littelfuse se utiliza para proteger el controlador de compuerta de MOSFET. El controlador de compuerta tiene dos estados; el estado encendido tiene un voltaje de puerta entre -5 y +10 voltios, mientras que el estado apagado impulsa la puerta a menos de -10 voltios. El TPSMB1505CA tiene un voltaje disruptivo nominal de cátodo (K) a ánodo (A) de 16.7 a 18.5 voltios con un voltaje de sujeción máximo de 24.4 voltios. El I_pp en esta dirección es de 24.6 amperios (A) para una duración de pulso transiente entre 10 y 1000 microsegundos (ms).

El voltaje disruptivo de A a K para el TVS es de 6.8 a 7.4 voltios, con un voltaje de pinza máximo de 11.5 voltios. La corriente de pulso máxima en esta dirección es de 60 A para la misma duración de pulso transiente de 10 a 1000 ms. Tenga en cuenta que esto se hace con un solo componente. Se necesitarían varios componentes para lograr este funcionamiento asimétrico con dispositivos individuales.

Los diodos de TVS asimétricos de la serie TPSMB de Littelfuse (Figura 4) incluyen dos componentes adicionales que difieren en sus voltajes disruptivos de K a A. El TPSMB1805CA ofrece un rango de voltaje disruptivo de K a A de 20.0 a 21.1 voltios con un voltaje de sujeción máximo de 29.2 voltios. La clasificación de I_pp es de 20.6 A para una duración de pulso de 10 a 1000 ms. El rango disruptivo de A a K es el mismo que el TPSMB1505CA (6.8 a 7.4 voltios).

Figura 4: Los dispositivos asimétricos TPSMB vienen en un paquete DO-214AA de montaje en superficie con una barra incisa que designa el lado K del dispositivo. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.).

El TPSMB2005CA tiene un rango de voltaje disruptivo de K a A de 22.2 a 24.5 voltios y un voltaje de sujeción máximo de 32.4 voltios. La clasificación de I_pp es de 18.6 A para la misma duración de pulso que los otros diodos. El rango disruptivo de A a K es el mismo que el TPSMB1505CA.

Los tres diodos de TVS tienen una potencia de pulso máxima de 600 vatios para las duraciones de forma de onda de 10 a 1000 ms, y todos cuentan con la calificación AEC-Q101 automotriz. Están dentro de un paquete de montaje en superficie DO-214AA para optimizar el espacio de la placa y permitir que los diodos se coloquen cerca de los contactos del circuito para la mejor protección posible. Una barra incisa en el paquete indica el lado K del dispositivo.

Conclusión

Las series de TVS TPSMB simétricos y TPSMB asimétricos son ideales para proteger circuitos electrónicos sensibles de transientes de voltaje causados por rayos y por descargas electrostáticas o inductivas. Los dispositivos TPSMB asimétricos son especialmente adecuados para proteger los controladores de compuerta de los interruptores rápidos de SiC en los que un solo componente de TVS cubre los niveles de accionamiento de encendido y apagado.