O impacto dos picos e surtos de tensão transitórios nos circuitos eletrônicos varia, desde pequenas falhas irritantes até consequências catastróficas que podem causar danos aos componentes do circuito. As causas de tais fenômenos transitórios são diversas, incluindo raios, eletricidade estática e descargas induzidas (Figura 1).
Figura 1: Transientes podem ser causados por raios, eletricidade estática ou descarga induzida, o que pode causar sérios danos a dispositivos eletrônicos desprotegidos. (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)
Tais transientes podem gerar pulsos com tensões de pico variando de centenas de volts a dezenas de milhares de volts e correntes atingindo níveis de quiloampere, com durações variando de centenas de nanossegundos a milissegundos.
A miniaturização de CIs e processadores, bem como a diminuição da tensão de alimentação, tornam-nos mais sensíveis a transitórios elétricos. Isto é particularmente verdadeiro para veículos controlados por múltiplos sistemas eletrônicos, incluindo motor, direção, freios, ar condicionado e entretenimento.
Para proteger circuitos sensíveis, diversas estratégias de projeto foram desenvolvidas, incluindo fiação blindada, filtros, supressão de arco e dispositivos de fixação. A blindagem e a filtragem adotam um design passivo, enquanto a supressão de arco e a proteção por grampo adotam mecanismos ativos. Centelhadores, tubos de descarga de gás, tiristores e outros dispositivos de extinção de arco desviam correntes transitórias para o solo para proteger o circuito. Quando o dispositivo extintor de arco está em estado ativo, o equipamento protegido não funciona, mas uma vez desaparecido o transitório, o equipamento pode funcionar normalmente.
Os dispositivos de fixação incluem varistores de óxido metálico (MOVs), diodos Zener e diodos de avalanche de supressão de tensão transitória (TVS), que mantêm uma tensão constante no dispositivo protegido alterando a impedância. Essas tecnologias podem ser usadas individualmente ou simultaneamente. Os diodos TVS são amplamente utilizados como dispositivos de fixação devido à sua rápida velocidade de resposta e alta dissipação de potência.
Diodo de supressão de tensão transitória
O diodo TVS é um diodo de avalanche usado como dispositivo de fixação. Quando a tensão aplicada excede a tensão de ruptura da avalanche, ela desviará a corrente excessiva e manterá ou fixará a tensão em um potencial constante. Quando a tensão aplicada for inferior ao valor de ruptura, ela será reiniciada automaticamente.
Os diodos TVS podem ser usados como dispositivos unidirecionais para evitar transientes unipolares, bem como dispositivos bidirecionais para evitar transientes de qualquer polaridade (Figura 2). Os dispositivos bidirecionais podem ser simétricos, capazes de fixar qualquer tensão de polaridade com a mesma amplitude, ou assimétricos, capazes de fixar diferentes níveis de tensão com base na polaridade dos transientes.
Figura 2: Características de ruptura de tensão atual e símbolos esquemáticos de três dispositivos TVS. (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)
O princípio de funcionamento de um diodo TVS unidirecional é semelhante ao de um diodo simples. Ele conduz quando polarizado diretamente e não conduz quando polarizado reversamente, até exceder a tensão de ruptura (VBR) do diodo. Quando a tensão aplicada excede VBR, o diodo conduz, mantendo a tensão em seus terminais na tensão de fixação (VC). A potência máxima que este diodo pode dissipar é a corrente de pulso de pico (IPP) x VC.
Um diodo TVS bidirecional é equivalente a dois diodos costas com costas. Quando a tensão de ruptura (VBR) não é excedida em nenhuma direção, apenas uma pequena corrente de fuga reversa (IR) flui. Esta operação é simétrica porque as amplitudes da tensão de ruptura sob as duas condições de polarização são as mesmas.
A função dos diodos TVS assimétricos é semelhante à dos dispositivos bidirecionais, mas suas tensões de ruptura (VBR1 e VBR2) são diferentes.
Diodo TVS assimétrico
Você pode estar se perguntando por que os diodos TVS assimétricos são necessários. Esses componentes são projetados para proteger os gate drivers em MOSFETs de carboneto de silício (SiC). Devido à rápida velocidade de comutação do SiC, esses drivers estão sujeitos a danos causados por transientes de sobretensão. Vamos dar uma olhada no SiC MOSFET ou inversor de tração usado para carregar carros (Figura 3).
Figura 3: TVS assimétricos TPSMB1505CA usados para proteger drivers de switch gate SiC MOSFET. (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)
O TVS assimétrico Littelfuse TPSMB1505CA é usado para proteger o gate driver dos MOSFETs. O gate driver tem dois estados; A tensão da porta no estado ligado está entre -5 e 10 V, enquanto no estado desligado está abaixo de -10 V. A tensão nominal de ruptura do cátodo (K) para o ânodo (A) do TPSMB1505CA é de 16,7 a 18,5 V, e a tensão máxima de fixação é de 24,4 V. O Ipp nesta direção é de 24,6 A e a duração do pulso transitório é de 10 a 1000 ms.
A tensão de ruptura do TVS de A a K é de 6,8 a 7,4 V, e a tensão máxima de fixação é de 11,5 V. A corrente de pulso de pico nesta direção é de 60 A e a duração do pulso transitório também é de 10 a 1000 ms. Vale ressaltar que isso só pode ser alcançado por meio de um único componente. Se componentes independentes forem usados para alcançar esse modo de trabalho assimétrico, vários componentes precisarão trabalhar juntos.
O diodo TVS da série assimétrica Littelfuse TPSMB (Figura 4) inclui dois componentes adicionais com diferentes tensões de ruptura K para A. O TPSMB1805CA fornece uma faixa de tensão de ruptura K a A de 20,0 a 21,1 V, com uma tensão máxima de fixação de 29,2 V. O Ipp nominal é de 20,6 A e a duração do pulso é de 10 a 1000 ms. A faixa de tensão de ruptura de A a K é a mesma do TPSMB1505CA (6,8 a 7,4 V).