TDS与传统TVS二极管:关键参数对比芯片复制
TDS是传统分立式TVS二极管的替代品,具有多种优势。
1. 芯片复制导通电阻RDYN和钳位电压
导通电阻RDYN定义为器件触发后I-V曲线的斜率,其直接决定了器件钳位电压的幅值。RDYN越大,器件在额定浪涌电流范围内钳位电压上升越大。RDYN越小,器件在额定浪涌电流范围内钳位电压基本保持恒定。图7和图8比较了TDS与传统TVS二极管的RDYN和钳位电压。如前一节所述,由于TDS中的AG和gm的值非常大,公式3显示的RDYN可以接近零:
接近零的RDYN在浪涌事件的持续时间内提供精确、平缓的钳位电压。此外,TDS与TVS二极管不同,TDS采用IC技术来实现浪涌防护,不再依赖PN结来实现击穿和浪涌电流泄放,因此其实现的闭环调节可以保证TDS在不同温度下的额定功率和钳位电压的稳定性,并且能够进行工艺补偿。
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图7 TDS与传统TVS二极管的直流IIN-VIN曲线 | 图8 TDS与传统TVS 8/20µs波形图 |
2. 温度特性
芯片复制由于TDS内置温度补偿,因此TDS的触发电压、钳位电压以及漏电流在整个工作温度范围内都具有强的稳定性。在浪涌事件中,TVS器件通过内部的PN结击穿并且泄放电流,导致其自身耗散功率高,温度上升,钳位电压上升,泄放能力下降。但是,TDS是通过内置额定场效应晶体管将浪涌电流转移至地,并且导通电阻低,自身耗散功率低,器件自身温度上升慢。
根据图9所示的钳位电压与温度的关系可以看出,传统的TVS二极管的钳位电压随温度上升而增加,对温度变化极为敏感,这严重限制了TVS二极管在高温等复杂环境下的应用。在笔记本电脑、USB-PD接口等应用领域中,设备长时间工作,温度上升是必然的。这必定会导致TVS二极管的钳位和泄放能力产生较大变化,存在安全隐患。TDS的钳位电压在-40℃~125℃的工作温度范围内保持平缓。该优异特性有效保护USB-PD、传感器等设备在恶劣环境中长时间工作。
图9 不同温度下的钳位电压
3. 漏电
由于芯片复制TDS采用内置额定浪涌场效应晶体管泄放瞬态浪涌电流,其漏电流为皮安(pA)量级。相比于传统TVS二极管中PN结的微安(uA)级反向漏电流明显降低。当漏电流流过输入保护电阻、采样电阻或源阻抗时会产生显著的误差,尤其是对前端传感器信号读出电路的精度将产生严重误差。图10比较了传统TVS二极管相对于TDS系列的VRWM与最大漏电流。湖南静芯推出的TDS由于工艺变化小、稳定性高,因此可以在全工作电压以及全温度范围内保证低漏电,而传统TVS二极管难以保证漏电流小于1µA。在高温下,传统TVS二极管的漏电流甚至接近1mA,这会显著影响信号完整性并导致低功率系统的效率降低。
图10 TDS系列与传统TVS二极管的最大漏电流 vs. VRWM
4. 功率与温度降额
传统TVS二极管虽被设计成可以在广泛的温度范围内工作,但高温环境下或者TVS二极管自身热损耗上升情况下,仍需要考虑浪涌事件期间是否会超过TVS二极管的最大额定功率,避免器件产生热损坏。