Gambar 1. Contoh kemasan TVS SMD dari MCC
Sumber: MCC, Surface Mount Packages, referensi [1].
Pembahasan
Apa Itu TVS Diode
TVS Diode digunakan untuk membatasi tegangan lebih transien, yaitu lonjakan yang berlangsung singkat akibat pelepasan muatan elektrostatik (ESD), switching beban induktif, atau gangguan dari luar perangkat. Komponen ini banyak dijumpai pada catu daya, perangkat industri, sistem kendaraan, dan antarmuka elektronik. TVS termasuk perangkat clamping, seperti MOV pada artikel sebelumnya, tetapi menggunakan struktur dioda semikonduktor. [1]
Sebagai ilustrasi, TVS seperti katup pengaman tekanan pada pipa air. Dalam kondisi normal, katup tidak mengganggu aliran utama. Ketika tekanan mendadak meningkat, katup menyediakan jalur pelepas. Pada rangkaian elektronik, TVS membatasi tegangan dengan mengalihkan arus lonjakan melalui cabang proteksi.
Cara Kerja TVS Diode
Pada kondisi normal, TVS yang dipasang dengan tepat hanya melewatkan arus bocor kecil. Saat tegangan naik ke daerah breakdown, arus melalui TVS meningkat tajam dan tegangan pada jalur dibatasi. Setelah transien selesai, TVS kembali ke keadaan berarus bocor kecil selama komponen tidak mengalami kerusakan. TVS merespons secara otomatis melalui sifat sambungan semikonduktornya. [3]
Bayangkan tangki air dengan katup pelepas otomatis. Saat tekanan normal, katup tetap tertutup. Ketika tekanan melonjak, katup membuka jalur pelepas. Setelah tekanan kembali normal, katup menutup lagi. TVS mengikuti urutan fungsi yang serupa, meskipun tidak memiliki bagian mekanis yang bergerak.
Gambar 2. Pengalihan arus transien melalui TVS
Sumber: MCC, How Do TVS Diodes Work, referensi [1].
Pada gambar, Transient Voltage menunjukkan lonjakan sebelum dibatasi, sedangkan Clamped Transient Voltage menunjukkan tegangan setelah pembatasan. Panah Transient Current menggambarkan arus yang dialihkan melalui TVS. System under protection adalah rangkaian yang dilindungi. Tegangan sisa sebenarnya tetap perlu diperiksa terhadap ketahanan beban.
Sebagai gambaran, katup pengaman tidak membuat tekanan air menjadi nol. Katup hanya membatasi kenaikannya. Begitu pula TVS: lonjakan berkurang, tetapi beban tetap harus mampu menahan tegangan yang masih tersisa.
Mengapa Berbeda dari Zener Biasa
TVS dan dioda Zener memiliki kaitan dalam prinsip breakdown. Namun, dioda proteksi dirancang untuk menghadapi pulsa transien, sedangkan Zener untuk regulasi tegangan dapat bekerja terus dalam daerah breakdown dengan pembatasan daya yang sesuai. Karena itu, keduanya tidak boleh saling diganti hanya berdasarkan angka tegangan. [2]
Bayangkan pelari sprint dan pelari jarak jauh. Keduanya berlari, tetapi kemampuan menghadapi beban singkat dan beban berkepanjangan berbeda. Analogi ini membantu membedakan rating pulsa TVS dari kemampuan disipasi daya kontinu sebuah dioda.
TVS Satu Arah dan Dua Arah
TVS unidirectional atau satu arah memiliki karakteristik yang berbeda pada dua polaritas. Dalam pemasangan umum pada jalur DC positif, katode dihubungkan ke jalur positif dan anode ke GND. Lonjakan positif dibatasi pada daerah breakdown balik, sedangkan lonjakan negatif dapat dibatasi melalui konduksi maju. Jadi, istilah satu arah bukan berarti komponen sama sekali tidak merespons lonjakan negatif. [3]
Bayangkan pintu pengaman dengan dua mekanisme berbeda pada kedua sisinya. Dorongan dari satu sisi harus mencapai ambang tertentu, sedangkan dorongan dari sisi sebaliknya lebih mudah melewatinya. Perumpamaan ini menggambarkan perbedaan respons terhadap dua polaritas, bukan arah pemasangan bebas.
Gambar 3. Respons TVS satu arah dan dua arah terhadap pulsa ESD
Sumber: Toshiba, Figure 3.16, halaman 18, referensi [3].
TVS bidirectional atau dua arah memiliki pembatasan pada polaritas positif dan negatif yang relatif simetris. Tipe ini sesuai untuk dipertimbangkan ketika sinyal normal melintasi level GND. Pemilihannya tetap mengikuti rentang sinyal dan batas ketahanan antarmuka; sistem komunikasi tertentu memerlukan susunan proteksi khusus. [3, 4]
Sebagai ilustrasi, bayangkan jalan dua arah dengan pengaman yang bekerja pada batas kecepatan serupa dari kedua arah. Kendaraan tetap boleh bergerak ke kanan atau ke kiri dalam rentang yang diizinkan. Demikian pula, TVS dua arah tidak seharusnya memotong bagian sinyal normal yang memang diperlukan.
| Tipe | Gambaran penggunaan |
|---|---|
| Unidirectional | Sering dipakai pada jalur DC dengan polaritas tetap; orientasi katode dan anode harus benar. |
| Bidirectional | Dipertimbangkan untuk sinyal yang berayun positif dan negatif; cek rentang tegangan yang diizinkan. |
Parameter Penting dalam Datasheet
TVS perlu dipilih berdasarkan tegangan jalur tertinggi yang masih normal serta tegangan yang dapat ditahan beban ketika pulsa datang. Tiga istilah utama ialah VRWM, VBR, dan VC. Ketiganya menyatakan kondisi yang berbeda. Rating arus dan daya pulsa juga harus dibaca bersama bentuk gelombang serta suhu pengujiannya. [1, 4]
| Parameter | Arti sederhana |
|---|---|
| VRWM atau standoff voltage | Batas tegangan balik kerja dengan arus bocor yang ditentukan. |
| VBR atau breakdown voltage | Tegangan breakdown pada arus uji tertentu; biasanya berupa rentang. |
| VC atau clamping voltage | Tegangan pada TVS saat arus pulsa tertentu mengalir. |
| IPP atau peak pulse current | Arus puncak pulsa pada kondisi uji yang dicantumkan. |
| PPP atau peak pulse power | Daya puncak sesaat; bukan daya yang boleh ditahan terus menerus. |
| IR dan kapasitansi | Arus bocor saat normal dan pembebanan kapasitif pada jalur. |
Sebagai ilustrasi, katup air mempunyai tekanan kerja yang diperbolehkan, titik mulai membuka saat diuji, dan tekanan yang tersisa ketika melepas aliran besar. VRWM, VBR, dan VC dapat dibayangkan melalui tiga keadaan itu. Memilih TVS hanya dari angka VRWM seperti membeli katup tanpa mengetahui tekanan saat katup benar-benar sedang bekerja.
Contoh Membaca SMBJ12A e3
Datasheet Microchip untuk keluarga SMBJ mencantumkan contoh SMBJ12A dengan standoff 12 V, breakdown 13,3–14,7 V pada arus uji 1 mA, dan clamping maksimum 19,9 V pada IPP 30,2 A. Keluarga ini memiliki rating daya pulsa 600 W untuk bentuk gelombang 10/1000 µs pada kondisi yang ditentukan. Akhiran e3 menunjukkan opsi pelapisan yang sesuai keterangan produsen. [5]
Bayangkan label tekanan pada katup: angka kerja bukan angka tekanan sisa saat pelepasan besar. Begitu juga TVS 12 V pada contoh ini tidak menjanjikan lonjakan tertahan di 12 V. Beban harus mampu menghadapi tegangan clamping yang relevan. Contoh ini bukan rekomendasi otomatis untuk semua catu 12 V.
Pemasangan pada Jalur Daya
TVS dipasang sebagai cabang paralel terhadap jalur yang dilindungi, seperti pada gambar berikut. Arus lonjakan melewati cabang TVS, sehingga tegangan pada protected load atau beban yang dilindungi dapat dibatasi. GND atau 0 V rangkaian tidak selalu sama dengan pembumian pelindung. Sekering atau pembatas arus tambahan perlu dikoordinasikan sesuai kondisi sumber. [6]
Gambar 4. Pemasangan TVS paralel terhadap beban
Sumber: Analog Devices, Figure 3, referensi [6].
Bayangkan pipa utama menuju pengguna dan jalur pelepas di sampingnya. Air untuk pengguna tetap lewat pipa utama; aliran tambahan saat tekanan berlebih dialihkan lewat cabang. Karena itu, TVS bukan penghambat yang dipasang berurutan dalam jalur arus beban.
Tata Letak PCB Juga Menentukan
Untuk proteksi ESD, letakkan TVS dekat titik masuk gangguan, misalnya konektor. Jalur dari konektor ke TVS dan jalur baliknya perlu pendek dengan induktansi rendah. Jalur yang membawa gangguan juga sebaiknya tidak berjalan berdampingan dengan jalur sensitif. Tata letak yang buruk dapat mengurangi efektivitas komponen yang ratingnya sudah sesuai. [7]
Gambar 5. Pengaruh penempatan TVS terhadap arus ESD • DUP adalah beban yang dilindungi
Sumber: Toshiba, Layout considerations, referensi [7].
Sebagai ilustrasi, jalur pelepas air yang pendek lebih mudah mengalirkan lonjakan daripada jalur memutar. Pada PCB, jalur panjang menambah induktansi sehingga tegangan sesaat di IC dapat lebih tinggi daripada perkiraan dari TVS saja.
Pemilihan Sesuai Jalur yang Dilindungi
TVS untuk jalur daya dan proteksi antarmuka cepat tidak selalu dapat disamakan. Pada USB atau antarmuka data lain, kapasitansi proteksi perlu cukup rendah agar tidak menurunkan kualitas sinyal. ROHM juga menekankan pemilihan kapasitansi yang sesuai pada CAN dan CAN FD. Selain itu, rating ESD dan rating surge perlu diperiksa sesuai metode uji masing-masing. [4, 8]
Bayangkan jalur data sebagai orang yang mengirim ketukan dengan cepat. Pengaman yang terlalu membebani jalur dapat membuat ketukan kurang jelas. Pada catu daya, prioritas dapat lebih menekankan kemampuan pulsa; pada sinyal cepat, kemampuan proteksi harus diseimbangkan dengan kejernihan sinyal.
Batas Daya dan Kegagalan
Rating daya puncak TVS berlaku untuk pulsa dan kondisi tertentu. Tegangan berlebih yang bertahan lama dapat merusaknya. Salah satu bentuk kegagalan ialah hubung singkat, sehingga sumber dapat terus mengalirkan arus ke komponen yang gagal. Sekering atau pembatas arus perlu dikoordinasikan sesuai sumber, beban, dan kondisi gangguan. [6]
Bayangkan payung yang membantu menghadapi hujan singkat. Payung bukan bendungan untuk menahan aliran banjir tanpa batas. Demikian pula TVS bukan regulator yang boleh dipaksa menyerap kesalahan tegangan catu terus menerus. Sistem tertentu memerlukan pemutusan catu atau proteksi aktif tambahan.
Sebagai ilustrasi lain, label kemampuan mengangkat beban selama sesaat tidak berarti seseorang boleh menahannya sepanjang hari. Angka 600 W pada contoh datasheet adalah rating pulsa pada bentuk gelombang tertentu, bukan kemampuan disipasi kontinu 600 W. [5]
Kesimpulan
TVS Diode membantu membatasi lonjakan melalui respons semikonduktor yang cepat dan jalur pengalihan arus. Pilih tipe serta polaritasnya sesuai jalur, bedakan VRWM, VBR, dan VC, lalu periksa kemampuan pulsa dan pembebanan sinyal. Pemasangan dekat titik masuk gangguan serta jalur balik yang baik merupakan bagian penting dari proteksi.
Bayangkan keseluruhan proteksi sebagai sistem pengaman air: katupnya harus tepat, pipa pelepasnya harus memadai, dan jalurnya harus benar. TVS yang baik juga perlu dipilih dan dipasang sebagai bagian dari sistem, kemudian diuji pada kondisi gangguan yang sesuai.
Referensi
[1] MCC. Understanding TVS Diodes A Comprehensive Guide. Sumber utama pengertian, cara kerja, dan parameter.
https://solutions.mccsemi.com/understanding-tvs-diodes-a-comprehensive-guide
[2] Toshiba. Differences between protection diodes and diodes for constant voltage regulation.
https://toshiba.semicon-storage.com/eu/semiconductor/knowledge/e-learning/basics-of-tvs-diodes/chap1/chap1-4.html
[3] Toshiba. Basics of ESD Protection TVS Diodes. Rujukan karakteristik satu arah dan dua arah.
https://toshiba-semicon-storage.com/info/DF5A6.8LF_application_note_en_20220527_AKX00461.pdf?did=68869&prodName=DF5A6.8LF
[4] Toshiba. Selection guidelines for TVS diodes. Rujukan tegangan, kapasitansi, dan ketahanan gangguan.
https://toshiba.semicon-storage.com/eu/semiconductor/knowledge/e-learning/basics-of-tvs-diodes/chap4/chap4-1.html
[5] Microchip Microsemi. SMBJ5.0 thru SMBJ170A CA e3. Datasheet SA3-37 Rev J, halaman 1–2.
https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/HRDS/ProductDocuments/DataSheets/SA3-37.pdf
[6] Analog Devices. Diarmuid Carey. How to Choose the Right Protection for Your Circuit.
https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/raqs/raq-issue-187.html
[7] Toshiba. Layout considerations for TVS diodes.
https://toshiba.semicon-storage.com/us/semiconductor/knowledge/e-learning/basics-of-tvs-diodes/chap5/chap5-1.html
[8] ROHM. Selection Method and Usage of TVS Diodes. Application Note 66AN046E Rev 001, Desember 2023.
https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/discrete/diodes/selection_method_and_usage_of_tvs_diodes_an-e.pdf