La valutazione dei circuiti di protezione TVS con Spice V BR V C V RWM. Regione di breakdown

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1 MOEI SPICE a valutazione dei circuiti di protezione TS con Spice Jim epkowski ON Semiconductor William epkowski Università dell Arizona utilizzo di macromodelli Spice può risultare particolarmente utile per valutare la capacità dei diodi TS di dissipare le tensioni transitorie che contribuiscono al guasto prematuro dei semiconduttori e simulazioni di circuiti mediante Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis rappresentano un metodo estremamente efficace per analizzare l immunità di un sistema nei confronti dei transitori di tensione EMI che si propagano per conduzione. Spice può infatti configurarsi come uno strumento molto utile per validare ed ottimizzare le prestazioni dei circuiti di protezione contro i transitori che utilizzano diodi a valanga di tipo TS (Transient oltage Suppression Soppressione delle Tensioni Transitorie. e caratteristiche intrinseche dei diodi TS - ridotte dimensioni, tempo di risposta veloce, bassa tensione di aggancio e costo contenuto ne fanno una soluzione efficace per risolvere i problemi legati ai transitori di tensione. Nel presente articolo vengono confrontate le simulazioni Spice con le prove eseguite su banco per dimostrare la capacità dei diodi a valanga TS di bloccare i transitori di tensione provocati da sorgenti di rumore, quali dispositivi induttivi e commutazione di carichi. Caratteristiche I/ I diodi Zener e TS a valanga, pur avendo caratteristiche elettriche simili, differiscono tra loro in modo significativo. di breakdown B C WM di perdita Mentre lo Zener progettato per regolare una tensione stazionaria, un diodo TS studiato per bloccare una sovratensione transitoria. Quest ultimo, inoltre, ha solitamente un area di giunzione più grande di quella di uno Zener, per cui risulta in grado di assorbire un elevata energia di picco. Corrente diretta Fig. - Caratteristiche I- e definizioni delle specifiche di un diodo a valanga TS I I T I PP F Nella figura riportata la relazione corrente-tensione di un diodo TS. Modelli Spice del diodo TS a valanga a maggior parte dei modelli Spice di diodi a valanga TS disponibili creata con l istruzione diodo del program- 98 EETTONICA OGGI MAZO 26

2 MOEI SPICE TABEA - AOI I EFAUT EE AIABII EO STATEMENT IOO PSPICE ariabile Parametro alore di default Unità Spice IS Corrente di saturazione E-4 A S esistenza Ω B di breakdown inversa IB Corrente alla tensione di breakdown inversa E-3 A N Coefficiente di emissione (h - XT Coefficiente termico corrente di saturazione 3 - TT Tempo di transito ns CJO Capacità giunzione a polarizzazione nulla pf J Potenziale giunzione M Coefficiente di classificazione,5 - EG Energia di attivazione, e KF Coefficiente rumore flicker - AF Esponente rumore flicker - FC Coefficiente polarizzazione diretta,5 - capacità di svuotamento TNOM Temperatura nominale 27 C ma Spice. Esistono tuttavia diverse restrizioni che limitano l uso di questa istruzione per modellare un diodo a valanga TS. In primo luogo, l istruzione diodo non prevede la possibilità di definire una resistenza serie separata per le regioni di breakdown a polarizzazione diretta e inversa: le resistenze nelle due regioni, infatti, non sono uguali. Quindi, non possibile modellare con precisione la pendenza della caratteristica correntetensione in entrambe le regioni. Inoltre, l istruzione diodo non dispone di una variabile per modellare la variazione della tensione di breakdown con la temperatura. a tabella descrive le variabili disponibili con il modello diodo Pspice. Sottocircuito del macromodello Un macromodello del diodo TS offre numerosi vantaggi rispetto al modello di diodo standard disponibile in Spice, compresa una rappresentazione più precisa della caratteristica di breakdown. I macromodelli TS sono creati combinando dispositivi Spice standard in un sottocircuito. a figura 2 descrive uno schema e una netlist Pspice di un macromodello. Il macromodello TS basato sul modello del diodo Zener fornito nei riferimenti [3] e [4]. Nei riferimenti [] e [2] possibile trovare ulteriori informazioni sulla modellazione dei dispositivi TS. Nella regione di polarizzazione diretta, il diodo Anodo I Catodo Anodo 7 2 I I I E Catodo Fig. 2 - Macromodello Spice del diodo a valanga TS 3 il componente chiave quando la tensione maggiore di zero. e caratteristiche di polarizzazione diretta del diodo TS sono controllate dalle seguenti variabili: corrente di saturazione (IS, coefficiente di emissione (N e resistenza serie (S di. e equazioni di polarizzazione diretta sono le seguenti: E = [(I B x B - 3] E - I B B 3 I T EETTONICA OGGI MAZO 26

3 MOEI SPICE I = I + I + I F = IF_ + + I _ 2 I & I << I S F kt T T I IF IS e IS e T m C η η _ = 25 q a regione di perdita o di polarizzazione inversa prima della regione di breakdown viene definita quando la tensione compresa fra e la tensione di breakdown ( B. e correnti e I sono piccole rispetto a I, perché i diodi e 2 sono polarizzati inversamente. Pertanto, la corrente di perdita uguale all incirca a /... ati misurati Modello a piccoli segnali I = IF + I + I = IS_ + I _ 2 I & I << I I S F a regione di breakdown modellata da E, 2 e. a corrente attraversa questo percorso quando la tensione supera la somma data da E e dalla tensione diretta di 2. a tensione di breakdown ( B, rappresentata da E, uguale al prodotto del generatore di corrente I B e del resistore B, meno la tensione di 3. 3 utilizzato per compensare la caduta di tensione di 2. a tensione di aggancio ( C, specificata alla corrente I PP, uguale alla somma delle tensioni di E, e 2, come illustrato di seguito. ( I I e ln I η T S T η IS C@ IPP = B Z = ( I ln I B B η3 T I + η ln I 2 T I + ( IPPZ T S3 PP S2 Impedenza (Ω f = 66 MHz (alla polarizzazione di c.c. S S C S S =,28 Ω S = 2,48 nh C S = 26,4 pf Frequenza (MHz f = 2π S C S. Fig. 3 - impedenza di un diodo TS può essere modellata come un condensatore a frequenze relativamente basse; tuttavia, mano a mano che la frequenza si avvicina alla frequenza di risonanza, necessario includere anche l induttanza del package dell integrato a risposta ai transitori del macromodello simulata includendo le caratteristiche di impedenza-frequenza del dispositivo TS. È necessario modellare l impedenza perché il rapido tempo di salita e l elevata corrente di picco dell impulso transitorio creano informazioni ad alta frequenza che influenzano le prestazioni della risposta di blocco in regime transitorio. a modellazione dell induttanza permette invece di simulare l ampiezza dell impulso di sovraelongazione dovuto all induttanza ( = ( I/ t del package dell integrato. adattamento della capacità aiuta a predire la forma della forma d onda agganciata, mentre l integrazione di un termine di resistenza accurato importante al fine di prevedere la capacità di potenza del dispositivo. Nella figura 3 riportato il grafico di un diodo TS a valanga. impedenza misurata può essere modellata tramite un circuito equivalente formato da un resistore ( S, un induttore ( S e un condensatore (C S collegati in serie. S 2 EETTONICA OGGI MAZO 26

4 MOEI SPICE TABEA 2 - COEAZIONE FA I COMPONENTI E MOEO IN C.A. E E MACOMOEO Componente del Componente equivalente Commenti modello in c.a. del macromodello S + 2_S tensione di blocco C /potenza nominale S genera un breve impulso di sovraelongazione a causa di ( I/ t C S _CJ _CJ specificato a e diminuisce mano a mano che la tensione di polarizzazione inversa aumenta uguale alla parte reale dell impedenza complessa ed misurata alla frequenza di risonanza (f. A questa frequenza l impedenza puramente resistiva, perché le impedenze di S e C S hanno la stessa ampiezza ma polarità opposte. C S si ottiene misurando la capacità a MHz mentre S si ottiene dalla frequenza di risonanza, che corrisponde all impedenza minima. a tabella 2 fornisce una correlazione fra il modello a piccoli segnali e il macromodello Spice. isultati dei test della simulazione a capacità del macromodello Spice di prevedere le prestazioni di un dispositivo TS si può desumere dal confronto tra i dati di simulazione e quelli ottenuti di aggancio TS 4,8 8, A 5 µs/div della corrente 8 x 2 µs A 5 A 5 8, A della corrente 8 x 2 µs di aggancio TS c(max = 4, Tempo (µs Fig. 4 - Spice prevede una tensione di blocco massima di 4,7, che corrisponde alla misura del test su banco di 4,8 Fig. 5 - Spice prevede una tensione di blocco massima di 28,9 con la resistenza nominale del dispositivo (Z =,28 Ω,mentre il test su banco ha prodotto un valore di 35,6. I risultati simulati corrispondono al test su banco se si aumenta Z a 8 Ω, A di aggancio TS 35,6 della corrente x µs 2 µs/div, A A 35 4 A c(max = 28,9 z =,28 Ω c(max = 35,4 z = 8 Ω della corrente x µs di aggancio TS di aggancio TS,5,,5 2, Tempo (ms 4 EETTONICA OGGI MAZO 26

5 MOEI SPICE TABEA 3 - IMITI I SIMUAZIONE EI MACOMOEI E IOO TS Parametro chiave imite di progettazione iretta F tipicamente specificata come valore massimo a un singolo diretta ( F punto di corrente nel datasheet a precisione aumenta se si utilizzano due punti di test tipici Perdita Corrente I modellata come funzione lineare della tensione di polarizzazioe di perdita (I I varia effettivamente come funzione esponenziale della tensione di polarizzazione Breakdown Il C dovuta all autoriscaldamento non modellato di blocco ( C I guasti per sovracorrenti non sono modellati con le prove da banco per i test sui transitori di 8 x 2 µs e x µs. Queste forme d onda sono spesso utilizzate per specificare la potenza di un dispositivo TS, oltre a rappresentare gli impulsi transitori prodotti da sorgenti di rumore comuni. Gli impulsi transitori sono definiti dal loro tempo di salita (t r (misurato fra il e il 9% e la durata dell impulso (misurata al 5%. e forme d onda di tensione e corrente rappresentano rispettivamente le condizioni di circuito aperto e cortocircuito ( = 2 Ω. a figura 4 illustra le prestazioni di aggancio di un diodo TS per il test sul transitorio di 8 x 2 µs. impulso transitorio di 8 x 2 µs rappresenta il transitorio di tensione positiva che viene creato dall improvvisa interruzione della corrente in un carico collegato in parallelo con un modulo elettronico. I driver lowside impiegati per l attivazione di moduli elettronici, motori e rel sono esempi di sistemi che possono generare questo impulso transitorio. a figura 5 illustra le prestazioni di blocco di un diodo TS per il test sul transitorio di x µs. Questo impulso transitorio si verifica quando si interrompe simultaneamente l alimentazione di un carico induttivo e del dispositivo in prova (UT. Motori a c.c., solenoidi e rel sono esempi comuni di carichi induttivi che possono generare un impulso transitorio di questo tipo. a discordanza fra la tensione di blocco misurata e simulata nel caso dell impulso di x µs dovuta all autoriscaldamento del dispositivo provocata dalla corrente transitoria. Inoltre, il macromodello stato calibrato per l impulso di 8 x 2 µs anziché di x µs. a precisione della tensione di aggancio prevista per impulsi a elevata energia e lunga durata può essere aumentata calibrando il modello con l impulso di x µs. Ulteriori miglioramenti del macromodello prevedono l integrazione di un modello termico per simulare l incremento della temperatura di giunzione del dispositivo TS provocato dall autoriscaldamento. imiti della rappresentazione Spice I macromodelli offrono una rappresentazione Spice precisa delle caratteristiche di corrente e tensione del diodo a valanga TS per la maggior parte delle applicazioni. I macromodelli permettono inoltre di superare molte delle limitazioni associate all istruzione diodo Spice. I macromodelli si propongono dunque come uno strumento di progettazione efficace per analizzare i circuiti di soppressione dei transitori. Tuttavia, essi non possono sostituire i test di sviluppo hardware. In tabella 3 riportata una sintesi dei limiti dei macromodelli. In definitiva, i progettisti di sistemi si trovano a dover soddisfare stringenti requisiti in termini di soppressione dei transitori. Per realizzare prodotti competitivi, essi devono aumentare l affidabilità e ridurre le dimensioni e il costo dei loro circuiti. I diodi TS a valanga possono essere utilizzati per aumentare l immunità ai transitori senza incrementare significativamente costi, dimensioni e complessità dei circuiti di potenza. a capacità dei diodi TS di dissipare le tensioni transitorie che contribuiscono al guasto prematuro dei semiconduttori può essere valutata utilizzando macromodelli Spice. ON Semiconductor readerservice.it n. 22 Bibliografia [] Bley, M., Filho, M. e aizer, A. Modeling Transient iscarge Suppressors, Ieee Potentials, Agosto/Settembre 24 [2 Hageman, S. Model Transient oltage Suppression iodes, MicroSim Application Notes, 997 [3] epkowski, J. AN825 Zener Macro- Models Provide Accurate Spice Simulations, ON Semiconductor, 25 [4] Wong, S.; Hu, C. e Chan, S. Spice Macro Model for the Simulation of Zener iode Current- oltage Characteristics, International Journal of Electronics, olume 7, No. 24, Agosto 99 6 EETTONICA OGGI MAZO 26