Utiliser des diodes de suppression de tension transitoire pour renforcer les circuits et maintenir l'intégrité électrique

Les transitoires électriques rapides (EFT) sont une réalité dont les concepteurs doivent tenir compte pour protéger leurs circuits, leurs systèmes et leurs utilisateurs. Les EFT ont de nombreuses sources, y compris les décharges électrostatiques (DES) courantes dues à des actions simples comme marcher sur un tapis, démarrer un moteur ou la foudre provoquant un effet d'ondulation. Ces transitoires peuvent avoir un impact négatif sur toutes les classes de produits, depuis les dispositifs corporels alimentés par batterie basse tension jusqu'aux systèmes moteurs haute puissance.

Les effets des EFT s'étendent de la perturbation et de l'incapacité à fonctionner temporaires à la dégradation à long terme des performances et aux dommages et pannes permanents. Bien que les concepteurs puissent prendre des mesures pour réduire les transitoires de tension, comme l'utilisation de boîtiers antistatiques, de filtrage, de blocage à la source ou d'une mise à la terre supplémentaire, ces mesures doivent souvent être révisées ou mises à niveau en fonction du scénario d'application spécifique.

Pour minimiser ou éliminer de manière fiable les conséquences néfastes des tensions transitoires, les concepteurs peuvent utiliser des composants passifs à deux bornes appelés diodes de suppression de tension transitoire (TVS). Bien qu'elles soient généralement considérées comme un circuit ouvert, ces diodes réagissent presque instantanément et ressemblent à un court-circuit lorsque l'événement transitoire se produit, détournant ainsi la surtension transitoire vers la terre. Les diodes TVS offrent une réponse rapide, une capacité de tenue en tension élevée, une longue durée de vie et une faible capacité.

Cet article examine le besoin, le rôle, les types et l'application de diodes TVS, en prenant comme exemples diverses familles de dispositifs et divers composants d'Eaton Corporation plc (Eaton).

Commencer par les normes CEI

Pour atténuer les risques liés aux EFT, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a défini trois normes internationalement reconnues pour la protection contre les surtensions dans la norme générale CEI 61000-4 (« Compatibilité électromagnétique (CEM) : Techniques d'essai et de mesure ») :

1) La norme CEI 61000-4-2 couvre l'immunité DES au niveau du système, s'appliquant aux DES provoquées par un contact humain (Figure 1). Pour cette forme d'onde, le temps de montée (tr) est court, de 0,7 à 1 nanoseconde (ns), la majeure partie de l'énergie se dissipant au cours des 30 premières ns, après quoi elle décroît rapidement. C'est pourquoi une protection contre les surtensions à action très rapide est nécessaire pour réagir rapidement aux événements DES.

Figure 1 : Une forme d'onde d'impulsion DES typique due à un contact humain, telle que caractérisée par la norme CEI 61000-4-2, montre un temps de montée très court, inférieur à une nanoseconde, la majeure partie de l'énergie se dissipant au cours des 30 premières ns. (Source de l'image : Eaton)

La forme d'onde à elle seule n'indique pas les niveaux de tension associés. La norme CEI 61000-4-2 spécifie les tensions de test pour l'immunité DES au niveau système dans divers équipements pour les décharges de contact et d'air (Figure 2).

Figure 2 : Les niveaux CEI 61000-4-2 pour les décharges d'air et de contact définissent plus en détail les spécificités du contact humain. (Source de l'image : Eaton)

Le choix approprié d'une diode TVS dépendra du niveau de protection DES requis dans une application. Notez que toutes les diodes TVS d'Eaton offrent des performances minimum de niveau 4 lorsqu'elles sont testées selon la norme CEI 61000-4-2. D'autres options sont disponibles avec une protection DES encore plus élevée, fournissant jusqu'à 30 kilovolts (kV) pour la décharge d'air et de contact.

2) La norme CEI 61000-4-5 couvre l'immunité contre les surtensions électriques, telles que celles dues à la foudre ou aux systèmes d'alimentation à découpage. Contrairement à l'électricité statique de relativement faible puissance, les impacts de foudre peuvent contenir jusqu'à 1 gigajoule (GJ) d'énergie et délivrer jusqu'à 120 kV de surtension. Les transitoires induits par la foudre peuvent être causés par des impacts de foudre directs sur les circuits électriques extérieurs produisant des surtensions, par des impacts de foudre indirects induisant des surtensions dans les conducteurs ou par des flux de courants à la terre dus à la foudre. Notez que les suppresseurs TVS DES ne sont pas destinés à protéger contre les impacts de foudre directs, mais des suppresseurs sont néanmoins nécessaires car ces impacts peuvent envoyer des transitoires dans les systèmes de distribution électrique sur des distances de 1,5 kilomètre ou plus.

La norme CEI 61000-4-5 définit une forme d'onde de tension de foudre typique (Figure 3).

Figure 3 : Forme d'onde d'impulsion de foudre définie par la norme CEI 61000-4-5 (I_PP est le courant de crête). (Source de l'image : Eaton)

La norme CEI 61000-4-5 spécifie également les niveaux de tension de test pour l'immunité aux surtensions dans les classes d'équipements électriques/électroniques (Figure 4).

Les niveaux sont définis par l'application finale :

• Classe 1 : environnement partiellement protégé
• Classe 2 : environnement électrique dans lequel les câbles sont bien séparés, même sur de courtes distances
• Classe 3 : environnement électrique dans lequel les câbles d'alimentation et de signal sont parallèles
• Classe 4 : environnement électrique avec des interconnexions sous forme de câbles extérieurs avec les câbles d'alimentation, et les câbles sont utilisés pour les circuits électroniques et électriques

Figure 4 : La norme CEI 61000-4-5 définit quatre classes de niveaux de test pour l'immunité aux surtensions électriques. (Source de l'image : Eaton)

3) La norme CEI 61000-4-4 couvre la protection pour les EFT (Figure 5). Les EFT sont causés par le fonctionnement de charges inductives, telles que des moteurs à usage intensif, des relais, des contacteurs de commutation dans les systèmes de distribution d'alimentation, et par l'activation ou la désactivation d'équipements de correction du facteur de puissance.

Figure 5 : Forme d'onde d'impulsion EFT telle que caractérisée par la norme CEI 61000-4-4. (Source de l'image : Eaton)

Notez que les EFT sont souvent caractérisés simplement par deux nombres associés : leur temps de montée jusqu'à la valeur de crête (t₁), et la durée de l'impulsion jusqu'à ce que le transitoire tombe à 50 % de la valeur de crête (t₂). Le transitoire de 8/20 microsecondes (µs) est une impulsion courante dans les applications industrielles.

L'amplitude de DES transitoires auxquelles un circuit ou un système doit résister dépend de l'application. Trois classes sont définies par la norme MIL-STD-883, largement utilisée par l'industrie, ainsi que par les systèmes militaires et aérospatiaux (Figure 6).

Figure 6 : Il existe trois niveaux de classification de sensibilité DES selon la méthode MIL-STD-883 numéro 3015. (Source de l'image : Eaton)

Les dispositifs TVS permettent de résoudre le problème

Pour répondre aux diverses exigences et protéger leurs systèmes, les concepteurs peuvent utiliser des diodes TVS. Les diodes TVS sont des dispositifs de protection contre les surtensions en silicium qui fonctionnent sur la base du principe de claquage par avalanche des diodes. Elles sont installées en parallèle avec le circuit normal pour protéger les composants internes contre les tensions de courte durée (transitoires) et moyennes/hautes (Figure 7).

Figure 7 : La diode TVS est placée sur l'entrée, entre la ligne à protéger et la masse du système. (Source de l'image : Eaton)

En fonctionnement normal sans transitoire, les diodes TVS maintiennent une haute impédance et n'interfèrent pas avec la transmission de l'alimentation ou des signaux dans l'équipement. Cependant, lorsqu'une diode TVS subit un choc instantané à haute énergie entre ses bornes, elle protège les éléments du circuit en aval en entrant rapidement dans un état de faible impédance (appelé claquage par avalanche) pour absorber le courant élevé et bloquer la tension à un niveau sûr.

Les diodes TVS sont disponibles sous forme de dispositifs à jonction P-N unidirectionnels ou bidirectionnels. Malgré leur nom, la plupart des diodes TVS unidirectionnelles suppriment les tensions dans les deux polarités. La différence est que les types unidirectionnels ont des propriétés tension-courant (V-I) asymétriques, tandis que les diodes TVS bidirectionnelles ont des propriétés V-I symétriques (Figure 8). Les diodes TVS bidirectionnelles sont bien adaptées à la protection des nœuds électriques avec des signaux bidirectionnels ou à la fois supérieurs et inférieurs à la tension de terre.

Figure 8 : Les noms des diodes TVS ne reflètent aucune directivité inhérente. Au lieu de cela, les diodes TVS unidirectionnelles présentent des propriétés tension-courant (V-I) asymétriques, tandis que les diodes bidirectionnelles ont des propriétés V-I symétriques. (Source de l'image : Eaton)

Le boîtier, le placement et les paramètres de premier ordre définissent les performances TVS

Les diodes TVS sont définies par de nombreuses spécifications de haut niveau, notamment :

• Tension maximum de fonctionnement inverse (V_RWM) nominale : également appelée tension de sécurité inverse, il s'agit de la tension de fonctionnement maximum d'une diode TVS lorsqu'elle est « OFF »
• Tension de claquage (V_BR) : la tension à laquelle le claquage par avalanche se produit dans une diode TVS, résultant en une faible impédance
• Courant de fuite inverse (I_R) : le courant qui traverse une diode TVS lorsqu'elle est polarisée dans le sens inverse
• Tension de blocage (Vc) : tension aux bornes d'une diode TVS à sa caractéristique de courant d'impulsion de crête (I_pp)
• Capacité : mesure de la charge stockée, généralement en picofarads (pF), entre la broche d'entrée et un autre point de référence (souvent masse/terre), typiquement mesurée avec un signal de 1 mégahertz (MHz)
• Courant de crête (I_pp) : la différence entre les amplitudes positive maximum et négative maximum d'une forme d'onde de courant

La sélection d'une diode TVS est généralement un processus en quatre étapes :

1. Sélectionner une diode avec une tension de sécurité supérieure à la tension de fonctionnement normale
2. Vérifier que le courant de crête spécifié dépasse le courant de crête attendu et s'assurer que la diode est spécifiée pour gérer la puissance requise pendant un événement transitoire
3. Calculer la tension de blocage (V_CL) maximum de la diode sélectionnée
4. Confirmer que la valeur V_CL calculée est inférieure à la valeur maximum absolue spécifiée pour la broche protégée

Le placement des dispositifs TVS sur le circuit imprimé est essentiel pour atteindre toutes les capacités de performances de ces dispositifs. Pour une meilleure protection contre les surtensions, les diodes doivent être placées aussi près que possible du point d'entrée de tension, comme les ports E/S, afin de minimiser l'impact des parasites sur la suppression efficace des surtensions transitoires rapides.

Exemples de TVS illustrant l'offre

Les diodes TVS d'Eaton conviennent bien à la protection contre les surtensions dans les interfaces E/S et les lignes de signaux numériques et analogiques haute vitesse. Elles offrent des tensions de blocage très faibles, une haute puissance de crête, une dissipation de courant élevée et des temps de réponse de l'ordre des nanosecondes.

Le conditionnement des diodes TVS est étroitement lié aux spécifications. Des boîtiers à montage en surface et à montage traversant sont disponibles, ces derniers offrant des performances tension/courant plus élevées.

Les diodes TVS doivent offrir une protection contre une vaste plage de tensions et de courants. Par conséquent, une valeur de tension nominale et d'autres paramètres ne peuvent pas répondre à toutes les situations EFT. Des exemples avec quatre familles de produits distinctes illustrent ces points.

1) La série SMFE a une tenue en puissance d'impulsion maximum de 200 watts (W) avec une forme d'onde de 10/1000 µs. Les dispositifs sont fournis en boîtier à montage en surface SOD-123FL extra-plat aux normes de l'industrie mesurant 2 millimètres (mm) × 3 mm × 1,35 mm qui optimise l'espace carte pour les dispositifs corporels et mobiles.

Le SMFE5-0A est l'un des membres de la série (Figure 9). Il a une tension de blocage de 9,2 V et une valeur I_pp de 21,7 ampères (A), et il prend en charge les cas d'utilisation unidirectionnels ou bidirectionnels. Le courant de fuite inverse est inférieur à 1 μA au-dessus d'une tension de fonctionnement de 10 V, et le temps de réponse est rapide, généralement inférieur à 1,0 picoseconde (ps) de 0 volt (V) à V_BR.

Figure 9 : La diode TVS 9,2 V SMFE5-0A est fournie en boîtier à montage en surface SOD-123FL extra-plat et cible les applications mobiles et corporelles. (Source de l'image : Eaton)

2) La série ST protège une ligne E/S bidirectionnelle et cible les ports USB et autres ports de données, les pavés tactiles, les boutons, l'alimentation CC, les connecteurs RJ-45 et les antennes RF. Les produits de cette famille, comme le STS321120B301 de 33 V et I_pp de 12 A, sont fournis en boîtier CMS SOD-323 miniature de 1,8 mm × 1,4 mm × 1,0 mm, et sont répertoriés à 400 W de puissance d'impulsion de crête par ligne (t_P = 8/20 µs). Les diodes de cette série prennent en charge des tensions de fonctionnement couvrant de 2,8 volts CC (V_CC) à 70 V_CC avec une capacité ultrafaible de 0,15 pF. Ces diodes offrent une protection DES jusqu'à 30 kV (conformément à la norme CEI 61000-4-2).

3) La série AK offre des diodes TVS haute puissance avec une protection jusqu'à 10 000 A, et elle est conçue pour répondre aux environnements de tests de surtension stricts pour les applications CA et CC. Ces diodes présentent une faible résistance de pente ainsi qu'un facteur de blocage supérieur grâce à la technologie Snapback. Elles répondent aux normes de protection contre les surtensions UL1449 pour les applications telles que l'électronique grand public, les appareils électroménagers, l'automatisation industrielle ou la protection de ligne CA. (Remarque : la pente ou la résistance dynamique est la résistance offerte par la diode lorsqu'une tension CA est appliquée ; la technologie Snapback est un processus par lequel la conduction de courants importants se poursuit même à des tensions plus faibles.)

Pour répondre aux exigences d'ampérage et UL, les dispositifs de cette série utilisent un boîtier traversant à sorties axiales comme celui utilisé avec l'AK6E-066C, une diode à blocage de 120 V et I_pp de 6000 A (Figure 10). Cette diode mesure 25 mm le long de ses sorties, avec un corps « central » presque carré qui mesure environ 13 mm × 15 mm.

Figure 10 : La diode TVS 120 V haute puissance AK6E-066C offre une protection jusqu'à 10 000 A et est fournie en boîtier traversant à sorties axiales. (Source de l'image : Eaton)

4) Les diodes TVS SMA série SMAJExxH sont uniques dans la mesure où elles sont qualifiées selon les normes AEC-Q101 requises pour les applications automobiles. Elles offrent une tenue en puissance d'impulsion de crête de 400 W (avec une forme d'onde de 10/1 000 μs) et ont un temps de réponse rapide, généralement inférieur à 1,0 ps de 0 V à V_BR, avec I_R de moins de 1 μA au-dessus de 10 V.

Les dispositifs de cette famille couvrent de 5 V à 440 V avec des versions unidirectionnelles et bidirectionnelles pour chaque dispositif, et ils incluent notamment le SMAJE22AH qui présente une tension de blocage de 35,5 V et une valeur I_pp de 11,3 A (Figure 11). Tous les dispositifs de la série sont fournis en boîtiers en plastique à montage en surface mesurant 3,0 mm × 4,65 mm × 2,44 mm (maximum) et répondant à l'indice d'inflammabilité UL 94 V-0 (Figure 11).

Figure 11 : La diode TVS 35,5 V SMAJE22AH est qualifiée selon les normes automobiles conformément à AEC-Q101. Elle utilise également des boîtiers en plastique qui répondent à la norme d'inflammabilité UL 94 V-0. (Source de l'image : Eaton)

Conclusion

Les transitoires électriques dus à l'électricité statique, au démarrage d'un moteur ou à la foudre à proximité peuvent endommager les systèmes électroniques et leurs composants. Les diodes TVS répondent à ces surtensions presque instantanément et détournent la tension transitoire et l'énergie vers la terre, protégeant ainsi le système. Comme illustré, Eaton propose différentes séries de diodes TVS, chaque série comprenant de nombreux dispositifs répertoriés à différentes tensions pour répondre à l'amplitude de tension transitoire anticipée, aux contraintes du produit final et aux exigences réglementaires, tout en ne nécessitant que quelques millimètres carrés d'espace sur le circuit imprimé.