Įtampos šuoliai dėl ESD, perjungimo apkrovų ar netoliese esančio žaibo gali sugadinti grandines. Lavinos diodas to išvengia, nes saugiai veikia atvirkštinio gedimo metu ir užspaudžia įtampą, kai ji pasiekia gedimo lygį. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinamas lavinų suskirstymas, vidinė struktūra, "Zener" palyginimas, specifikacijos, pagrindiniai tipai, naudojimas, pasirinkimas ir dažniausiai pasitaikantys gedimai.
Lavinų diodų pagrindai
Lavinos diodas yra PN jungties diodas, skirtas saugiai veikti atvirkštinio gedimo režimu. Kai atvirkštinė įtampa pasiekia vardinę gedimo įtampą (VBR), diodas staiga praleidžia didelę atvirkštinę srovę. Skirtingai nuo standartinių diodų, kurie gali būti pažeisti sugedus, lavinų diodai yra sukurti taip, kad saugiai elgtųsi, jei srovė ir galia neviršija vardinių ribų.
Lavinų diodai yra plačiai naudojami apsaugai nuo viršįtampių ir įtampos užspaudimui grandinėse, veikiamose trumpalaikių šuolių, tokių kaip ESD įvykiai, indukciniai perjungimo viršįtampiai ir žaibo sukelti trikdžiai.
Lavinos diodo lavinos gedimas
Lavinų gedimas įvyksta, kai atvirkštinis diodas patiria stiprų elektrinį lauką visame išeikvojimo regione. Šis laukas pagreitina laisvuosius nešėjus, kol jie susiduria su atomais kristalinėje grotelėje, išskirdami papildomus elektronus ir skyles. Šie nauji nešėjai taip pat pagreitėja ir susiduria, sukurdami grandininę reakciją, vadinamą smūgio jonizacija.
Dėl to diodo srovė greitai kyla, o įtampa išlieka beveik pastovi, todėl prietaisas gali užfiksuoti perteklinę įtampą. Lavinų diodai suprojektuoti taip, kad šis suskirstymas tolygiai pasiskirstytų sankryžoje, kad sumažintų perkaitimą ir išvengtų lokalizuotų pažeidimų.
Vidinė lavinos diodo struktūra
• Pastatytas ant silicio lusto su PN jungtimi, skirta veikti atvirkštine įtampa.
• Sankryža yra šiek tiek dopinguota, todėl tuščia (išeikvojimo) sritis tampa plati, kai atvirkštinis poslinkis.
• Plati išeikvojimo sritis leidžia diodui patekti į lavinos gedimą esant aukštesnei įtampai, o ne naudojant "Zener" gedimą esant žemai įtampai.
• Sankryžos kraštai formuojami ir apdorojami taip, kad elektrinis laukas išliktų tolygus ir nesudarytų aštrių didelio lauko dėmių.
• Lustas montuojamas ant švino rėmo arba trinkelės, kuri perduoda srovę ir padeda pašalinti šilumą viršįtampio sąlygomis.
• Lavinos diodas užsandarintas stiklinėje, plastikinėje arba metalinėje pakuotėje, atitinkančioje jo galios lygį ir darbo aplinką.
Lavinos diodų ir Zenerio diodų palyginimas
| Funkcija | Lavinų diodas | Zenerio diodas |
|---|---|---|
| Pagrindinis gedimo poveikis | Smūginės jonizacijos sukeltas lavinos efektas | Tuneliavimo sukeltas zenerio efektas |
| Dopingo lygis | Lengvai dopinguota PN sankryža | Stipriai dopinguota PN sankryža |
| Išeikvojimo regionas | Didelis išeikvojimo regionas | Plonas išeikvojimo regionas |
| Tipinis įtampos diapazonas | Dažniausiai naudojamas virš maždaug 6–8 V | Naudojamas žemiau apie 6–8 V |
| Temperatūros elgsena | Gedimo įtampa paprastai didėja didėjant temperatūrai | Gedimo įtampa dažnai mažėja priklausomai nuo temperatūros |
| Pagrindinis naudojimas | Apsauga nuo viršįtampių ir smaigalių, įtampos užspaudimas | Žemos įtampos reguliavimas ir įtampos nuoroda |
| Energijos valdymas | Gali atlaikyti didesnę viršįtampių energiją trumpą laiką | Tvarko mažesnę energiją, palyginti su lavinų tipais |
Lavinos diodo elektrinės specifikacijos
| Parametras | Reikšmė | Svarba |
|---|---|---|
| Gedimo įtampa (VBR) | Atvirkštinė įtampa, kai prasideda lavina | Nustato tašką, kuriame diodas pradeda stiprų laidumą |
| Užspaudimo įtampa (VCL) | Įtampa viršįtampio metu esant tam tikrai srovei | Parodo, kaip aukštai linija gali pakilti smaigalio metu |
| Didžiausia impulsinė srovė (IPP) | Didžiausia viršįtampio srovė nurodytai impulso formai | Turi būti didesnis už blogiausią grandinės viršįtampį |
| Didžiausia impulsų galia (P) | Didžiausia viršįtampio galia trumpam impulsui | Padeda pasirinkti diodą, galintį atlaikyti viršįtampio energiją |
| Atvirkštinis nuotėkis (IR) | Maža atvirkštinė srovė žemiau suskirstymo | Veikia nedidelius budėjimo režimo nuostolius ir nuotėkio kelius |
| Sankryžos talpa (CJ) | Atvirkštinio poslinkio talpa | Svarbu greitųjų ir radijo dažnių signalų linijoms |
| Reakcijos laikas | Laikas pradėti spausti greitą pereinamąjį | Svarbu ESD ir labai aštriems įtampos šuoliams |
Lavinų diodų tipai ir jų panaudojimas
TVS (trumpalaikės įtampos slopinimo) diodai
TVS diodai yra labiausiai paplitę lavinų diodai, naudojami apsaugai nuo viršįtampių ir ESD. Jie greitai užspaudžia įtampos šuolius, kad apsaugotų jautrius komponentus elektros ir signalo linijose.
Didelės galios lavinų lygintuvo diodai
Tai lygintuvo diodai, skirti išgyventi kontroliuojamą laviną esant atvirkštiniam įtempimui, padedantys jiems atlaikyti galios elektronikos perjungimo šuolius, kai jie naudojami teisingai.
IMPATT mikrobangų lavinos diodai
IMPATT diodai naudoja lavinų skaidymą ir tranzito laiko efektus, kad sukurtų mikrobangų dažnio svyravimus specializuotose RF sistemose.
Triukšmo lavinos diodai
Jie yra šališki tyčia lavinos suskirstymo sukurti stabilų plačiajuosčio elektros triukšmą bandymų ir atsitiktinių signalų generavimo.
Lavinų fotodiodai (APD)
APD naudoja lavinų daugybą, kad sustiprintų šviesos generuojamą srovę ir pagerintų jautrumą esant silpnam apšvietimui.
Apsauga nuo lavinos diodų viršįtampių
Apsaugos nuo viršįtampių grandinėse lavinų diodai dažnai vadinami TVS (Transient Voltage Suppressor) diodais. Paprastai jie yra sujungti atvirkščiai tarp linijos ir žemės arba tarp linijos ir maitinimo įtampos. Normalaus veikimo metu linijos įtampa išlieka žemesnė už gedimo lygį, todėl lavinos diodas turi tik mažą nuotėkio srovę.
Kai viršįtampis ar smaigalys išstumia linijos įtampą virš gedimo įtampos, lavinos diodas sugenda ir pradeda stipriai veikti. Šis veiksmas užspaudžia įtampą ir nukreipia viršįtampio srovę nuo jautrių dalių ir link žemės. Kai smaigalys baigiasi ir įtampa vėl nukrenta žemiau gedimo lygio, lavinos diodas nustoja veikti ir grįžta į normalią, nelaidžią būseną.
Lavinų diodai RF ir mikrobangų signaluose
Kai kurie lavinų diodai yra pagaminti specialiai RF ir mikrobangų grandinėms. Tokiuose įrenginiuose kaip IMPATT diodai, lavinų gedimas ir laikas, per kurį krūvio nešėjai juda per išeikvojimo sritį, sukelia vėlavimą. Šis vėlavimas sukelia fazės poslinkį, kuris gali atrodyti kaip neigiamas pasipriešinimas esant aukštiems dažniams.
Kai tokio tipo lavinos diodas dedamas į suderintą grandinę arba rezonansinę ertmę, neigiama varža gali išlaikyti aukšto dažnio virpesius net iki mikrobangų diapazono. Šie diodai naudojami radarų blokuose, vietiniuose osciliatorių etapuose ir kai kuriuose bandymo prietaisuose. Jie gali būti gana triukšmingi, todėl turi būti šališki ir atsargiai atvėsinti, kad išliktų stabilūs ir neviršytų saugių ribų.
Lavinos diodas kaip triukšmo šaltinis
• Kai lavinos diodas yra šališkas lavinos srityje, jis sukuria atsitiktinius srovės impulsus iš smūgio jonizacijos.
• Šie maži impulsai susijungia į plačiajuosčio ryšio triukšmo signalą, apimantį platų dažnių diapazoną.
• Šis triukšmas gali būti sustiprintas ir naudojamas kaip imtuvų, filtrų ir kitų grandinių bandymo signalas.
• Jis taip pat gali veikti kaip entropijos šaltinis aparatinės įrangos atsitiktinių skaičių generatoriuose.
• Poslinkio įtampa ir srovė turi būti kruopščiai kontroliuojamos, kad diodas išliktų stabilioje lavinos srityje ir neperkaistų.
Lavinos fotodiodai naudojant lavinos diodų veikimą
Lavinos fotodiodas (APD) yra šviesos jutiklis, kuris naudoja lavinų skilimą, kad sustiprintų fotosrovę. Kai fotonai atsitrenkia į aktyviąją sritį, susidaro elektronų ir skylių poros. Kadangi APD yra šališkas arti gedimo, šie nešikliai pagreitina ir sukelia smūgio jonizaciją, padaugindami išėjimo srovę. Dėl šio vidinio stiprinimo APD yra naudingi aptikti silpnus šviesos signalus:
• Šviesolaidinis ryšys
• LiDAR ir atstumo stebėjimas
• Medicininis vaizdavimas ir fotometrija
Norint išlaikyti stabilumą, APD reikia šališkumo kontrolės ir temperatūros kompensavimo, nes gedimo įtampa keičiasi priklausomai nuo temperatūros.
Lavinų diodų pasirinkimas skirtingiems grandinės poreikiams
| Dizaino poreikis | Dėmesys | Parametrai |
|---|---|---|
| Nuolatinės srovės elektros linijos apsauga | Clamp viršįtampiai, išlaikant normalią įtampą OK | VBR ir normali įtampa, VCL, IPP, PPP |
| Didelės spartos duomenų perdavimo linija ESD | Labai greitas veikimas ir maža talpa | Mažas CJ, greitas atsakas, ESD reitingas |
| Didelės energijos viršįtampis kabeliuose | Tvarkykite labai didelę viršįtampio energiją | Aukšta PPP / energijos klasė, IPP, pakuotė |
| RF triukšmo šaltinis | Stiprus ir pastovus triukšmas lavinos metu | Stabilus suskirstymo regionas, poslinkio intervalas |
| APD / SPAD šviesos jutiklis | Didelis stiprinimas su maža tamsiąja srove | Padidėjimas vs šališkumas, tamsioji srovė, temperatūros elgesys |
Lavinų diodų patikimumas ir dažni gedimai
Šiluminė perkrova
Vienas viršįtampis gali perkaisti sankryžą ir visam laikui sugadinti diodą.
Ilgalaikis kaupiamasis stresas
Pasikartojantys mažesni pereinamieji laikotarpiai gali palaipsniui perkelti gedimo įtampą arba padidinti nuotėkio srovę.
Dabartinis perpildymas ir karštieji taškai
Prastas PCB išdėstymas arba neteisingas diodų pasirinkimas gali sukelti netolygų laidumą, todėl padidėja gedimo rizika.
Aplinkos stresas
Drėgmė, vibracija ir terminis ciklas gali pabloginti pakuotę ir sukelti vientisumo problemų.
Geroji praktika ilgam gyvenimui
Siekiant pagerinti patikimumą, tai padeda sumažinti viršįtampio srovę ir energiją, naudoti pakankamai vario ploto šilumai skleisti ir laikytis ribų bei viršįtampių standartų dedant ir renkantis lavinos diodą.
Išvada
Lavinų diodai užfiksuoja įtampos šuolius, įvesdami kontroliuojamą atvirkštinį gedimą esant nustatytai gedimo įtampai. Pagrindiniai veiksniai yra gedimo įtampa, užspaudimo įtampa, didžiausia impulso srovė ir galia, nuotėkio srovė, talpa ir reakcijos laikas. Tipai apima TVS, lavinų lygintuvus, IMPATT, triukšmo diodus ir fotodiodus. Patikimumas priklauso nuo karščio, pasikartojančio streso, išdėstymo ir aplinkos.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kokį viršįtampio bangos formos įvertinimą turėčiau patikrinti, ar nėra lavinos diodo?
Patikrinkite diodo vardinę impulso bangos formą (pvzample: 8/20 μs arba 10/1000 μs) ir įsitikinkite, kad ji atitinka jūsų viršįtampio šaltinį.
Kuo skiriasi vienkrypčiai ir dvikryptiai TVS diodai?
Vienkryptis geriausiai tinka nuolatinės srovės linijoms. Dvikryptis geriausiai tinka kintamosios srovės linijoms arba signalams, kurie siūbuoja į abi puses.
Ką VRWM reiškia TVS lavinos diode?
VRWM yra didžiausia įtampa, kurią diodas gali valdyti nuolat neįsijungdamas.
Kodėl didelės spartos signalo apsaugai reikalinga maža talpa?
Didelė talpa gali iškraipyti greitus signalus. Mažos talpos TVS diodai apsaugo liniją jos nesulėtindami.
Kur turėčiau dėti lavinos diodą ant PCB?
Padėkite jį kuo arčiau jungties arba viršįtampio įėjimo taško trumpu, tiesioginiu įžeminimo keliu.
Kaip sužinoti, ar pažeistas lavinos diodas?
Požymiai yra didesnis nuotėkis, šildymas įprasto veikimo metu arba silpnesnis užspaudimas viršįtampių metu.