TVS Diode ช่วยป้องกันวงจรจากแรงดันกระชาก เช่น ESD, ฟ้าผ่าแบบเหนี่ยวนำ และ Inductive Surge โดยมันทำหน้าที่ Clamp แรงดันและระบายกระแสส่วนเกินออกจากวงจร การเลือก TVS ต้องดูแรงดัน, กระแส และพลังงานของ surge รวมถึงวางไว้ใกล้จุดที่ surge เข้ามา เพื่อให้ปกป้อง IC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

บทนำ

เวลาวงจรบน PCB มีปัญหา ปกติเราก็คงจะเริ่มเช็กจากสิ่งที่มองเห็นได้ง่ายๆ ก่อน เช่น ต่อสายผิดมั้ย ค่า Resistor ผิดรึเปล่า หรือเลือก IC ไม่ตรงกับวงจร แต่บางทีทุกอย่างแลดูจะถูกต้องทั้งหมดแต่บอร์ดกลับรีเซตเองหรือค้าง ซะอย่างนั้น แต่เพื่อนๆ คงคิดกันไม่ถึงว่า ปัญหาอาจจะมาจากเจ้าตัวการที่เรามองไม่เห็น นั่นก็คือ Transient หรือแรงดันไฟฟ้ากระชากช่วงสั้นๆ นั่นเอง ซึ่งมันอาจเกิดได้จากหลายสาเหตุ เช่น ไฟฟ้าสถิตจากการสัมผัสบอร์ด การเปิด-ปิดมอเตอร์หรือรีเลย์ หรือแรงดันรบกวนที่เกิดจากระบบไฟฟ้าและฟ้าผ่าแบบเหนี่ยวนำเข้ามาในสายสัญญาณ เพราะถึงเหตุการณ์พวกนี้จะเกิดขึ้นแปปเดียว แต่แรงดันที่เกิดขึ้นก็สูงมากพอที่จะทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์เสียได้ นี่เลยเป็นเหตุผลว่า ทำไมวงจรที่ทำงานได้ดีบนโต๊ะทดลอง อาจจะมีปัญหาได้เมื่อเอาไปใช้งานจริง และตรงนี้แหละที่เจ้า TVS Diode จึงเข้ามาช่วย

มารู้จักกับเจ้าเพื่อนตัวเล็กชื่อ ESD 

ลองนึกภาพว่าเราเดินอยู่บนพรมนุ่มๆ แล้วไปจับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จู่ ๆ ก็มีไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้น นั่นแหละคือ Electrostatic Discharge หรือ ESD ถึงเราจะรู้สึกแค่ แป๊ะ! เบา ๆ แต่สำหรับ IC ที่เล็กมาก แรงดันจาก ESD สามารถสร้างความเสียหายได้ทั้งแบบที่เห็นได้เลยชัดเจนทันทีและแบบที่ค่อยๆ ความเสียหายสะสมจนวงจรมาเสียในที่สุด แต่ก็แน่นอนว่า IC สมัยใหม่มีวงจรป้องกัน ESD ข้างในอยู่แล้ว แต่การป้องกันภายในไม่ได้หมายความว่า เราสามารถปล่อยให้ทุก Transient วิ่งเข้า IC ได้โดยตรงนะ เพราะอุปกรณ์ป้องกันภายในมีข้อจำกัด และการใช้งานจริงก็อาจจะมี Transient ที่รุนแรงกว่าที่ระบบรับได้ เพราะอย่างนั้นมันจะดีกว่า ถ้าเราไม่ให้ IC เป็นด่านแรกที่รับแรงกระแทก แต่เราวางอุปกรณ์ป้องกันภายนอกอย่างเจ้า TVS ไว้ตรงทางเข้าของสัญญาณ เพื่อให้มันเป็นโล่รับมือกับ Transient ก่อนที่มันจะเข้าไปถึงวงจรสำคัญ

TVS Diode คือ คนช่วยระบายแรงดัน

TVS ย่อมาจาก Transient Voltage Suppressor พูดง่ายๆ มันคือ ไดโอดที่ถูกออกแบบมาให้รับมือกับแรงดันกระชากโดยเฉพาะ ลองนึกภาพระบบน้ำในบ้านของเรา ถ้าแรงดันน้ำปกติ วาล์วก็ไม่ต้องทำอะไร แต่ถ้าเกิดแรงดันพุ่งสูงผิดปกติขึ้นมา วาล์วก็จะช่วยระบายแรงดันส่วนเกินออกไปให้ ทำให้ท่อด้านในไม่ต้องรับแรงดันทั้งหมด เพราะเมื่อเกิด Transient และแรงดันเพิ่มสูงจนถึงจุดที่กำหนด เจ้า TVS จะเข้าสู่ภาวะ Avalanche และนำกระแสได้จำนวนมากเพื่อช่วย Clamp หรือจำกัดแรงดันไม่ให้พุ่งสูงขึ้นไปอีกนั่นเอง พูดอีกอย่างก็คือ TVS ไม่ได้ทำให้ Surge หายไปเหมือนแอบใช้เวทมนตร์ แต่มันช่วยสร้างทางให้กระแส Surge ไหลไปในทางที่คุมได้ และช่วยลดแรงดัน

แล้วเราจะอ่าน Datasheet ยังไงไม่ให้เลือก TVS ผิดตัว

ค่าที่เพื่อน ๆ ควรทำความรู้จักเพราะเจอได้บ่อยคือ ค่า VRWM หรือ Working Standoff Voltage เพราะมันคือ ค่าแรงดันสูงสุดที่ TVS จะรับได้ในสภาวะปกติ และต่อมาที่ไม่รู้ไม่ได้คือ ค่าBreakdown Voltage ที่เป็นช่วงแรงดันที่ TVS เริ่มเข้าสู่ Avalanche Conduction และค่าแรงดันที่เจ้า TVS จะสามารถจำกัดไว้ได้ในกระแส Surge ที่กำหนดใน Datasheet นั่นคือ ค่า Clamping Voltage ที่มักสูงกว่า VRWM และ Breakdown Voltage นั่นเอง ดังนั้น ถ้าวงจรของเราทำงานที่ 5 V ก็ไม่ได้หมายความว่า ให้เราหยิบ TVS 5 V ตัวไหนก็ได้นะ เพราะเราต้องดูว่า แรงดันปกติของวงจรอยู่ตรงไหนด้วย ต้องมองไปให้ถึงในตอนที่เจ้า TVS เริ่มนำกระแส และเกิด Surge ขึ้น มันจะสามารถ clamp แรงดันไว้ให้ต่ำพอที่จะปกป้อง IC ที่เราหวงแหนไว้ได้หรือไม่นั่นเอง

มาดูกันว่าฟ้าผ่ามาเกี่ยวอะไรกับ TVS บนแผ่นวงจร PCB

พอได้ยินคำว่า ป้องกันฟ้าผ่า มันก็คงทำให้เรานึกภาพว่ามีฟ้าผ่าลงบนบอร์ดโดยตรงจริงๆ แต่ในความเป็นจริงไม่ใช่แบบนั้น เพราะสิ่งที่ PCB เจอบ่อยก็คือ ผลกระทบจากฟ้าผ่าแบบทางอ้อมต่างหาก เช่น ถ้าเกิดฟ้าผ่าใกล้สายไฟหรือสายสัญญาณ จะทำให้เกิด Electromagnetic Coupling และสร้าง Transient ที่จะถูกนำเข้ามาในระบบ หรือ Surge เดินทางเข้ามาตามสายที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอก และนอกจากการฟ้าผ่าแล้ว ในภาคอุตสาหกรรมก็สามารถเกิด Surge จาก ESD, Ground Loop และ Switching Transient ได้ด้วยเหมือนกัน ดังนั้น TVS เลยเหมาะกับการเป็นหนึ่งในด่านป้องกัน Transient ที่เข้ามาตาม Power Line หรือ Signal Line 

มารู้จักกับ Inductive Surge ตัวร้ายที่เจอบ่อยไม่แพ้กัน

นอกจากฟ้าผ่าและ ESD แล้ว ก็ยังมี Transient อีกแบบที่เจอได้บ่อยมากในวงจร นั่นคือ Inductive Surge  ถ้าจะยกตัวอย่างให้เข้าใจได้ง่ายที่สุดคือ มอเตอร์ รีเลย์ หรือขดลวดต่าง ๆ ถ้ามีกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ แล้วเราพยายามจะตัดกระแสนั้นอย่างรวดเร็ว แรงดันจะพุ่งสูงขึ้นอย่างมาก ให้เพื่อนๆ ลองนึกภาพมอเตอร์ที่กำลังหมุนอยู่ แล้วเราไปปิดสวิตช์มันแบบกระทันหัน กระแสที่ไหลอยู่ก็ไม่สามารถหายไปได้ทันที ตัวเหนี่ยวนำเลยสร้างแรงดันขึ้นมาเพื่อรักษาการไหลของกระแสเอาไว้ นี่แหละคือเหตุผลว่าทำไมวงจรที่มี Relay หรือ Motor มักมี Spike เกิดขึ้นตอนเราตอนเปิด-ปิด 

จะมี TVS ดีแค่ไหนก็ช่วยอะไรไม่ได้ ถ้าเราวางผิดที่

สมมติว่าเรามี TVS ที่เลือกสเปกมาดีมาก แต่ดันเอาไปวางไว้ไกลจาก Connector ที่ Surge เข้ามาก็ไม่ใช่เรื่องดีเท่าไหร่ เพราะเมื่อตอน Transient เกิดขึ้น กระแส Surge จะต้องเดินทางผ่าน Trace จาก Connector ไปยัง TVS และในช่วงที่กระแสเปลี่ยนเร็วมากนี่เอง Trace และ Via ก็มี Inductance ของตัวเองด้วย ทำให้ถึงแม้ TVS จะสามารถ Clamp แรงดันได้ดี แต่แรงดันบางส่วนอาจจะแอบเกิดก่อนถึง TVS แล้วก็ได้ เพราะแบบนี้เลยอยากแนะนำให้วางเจ้า TVS ให้ใกล้กับจุดที่สายภายนอกจะเข้ามาในบอร์ดดีกว่าเพื่อที่จะสร้างเส้นทางลง Ground ที่สั้นและมี Impedance ต่ำ ทำให้ surge ถูกเบี่ยงออกไปได้ตั้งแต่ต้นทาง พูดง่าย ๆ ก็คือ อย่าให้ Surge เดินเล่นทั่วบอร์ดก่อน แล้วค่อยเจอ TVS ควรให้ TVS ยืนเฝ้าอยู่ตรงประตูเลยจะดีกว่า

บทสรุป 

สิ่งที่น่าสนใจของ TVS ก็คือ หลายครั้งเราจะไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามันช่วยเราไว้ เพราะมันอาจจะไม่ได้มีเรื่องให้ต้องออกโรงบ่อย ๆ แต่ถ้าไม่มีการป้องกัน แรงดันอาจจะเดินทางไปยัง IC และสร้างปัญหาให้เราได้ ตั้งแต่ระบบรีเซตชั่วคราว หรือพังไปเลย แต่ถ้ามี TVS ที่เลือกมาแล้วอย่างดี วางในตำแหน่งที่ถูกต้อง  และมีเส้นทางกระแสที่ดี พวก Transient จะถูก Clamp และเบี่ยงออกไปก่อนถึงวงจรสำคัญของเรา แต่การออกแบบ TVS ที่ดีจึงไม่ใช่แค่คำถามที่ว่า เราจะใช้ TVS กี่โวลต์ แต่ต้องถามด้วยว่า Surge จะเข้ามาจากไหน มันมีแรงดันและกระแสประมาณเท่าไร  เพราะสุดท้ายแล้ว การป้องกันที่ดีไม่ใช่การทำให้ Transient หายไปจากโลกเลย แต่คือ การควบคุมมันให้ปลอดภัย ก่อนที่มันจะไปถึงส่วนที่เราไม่อยากให้มันไปถึงนั่นเอง และบางที อุปกรณ์ตัวเล็ก ๆ อย่าง TVS Diode ก็อาจจะเป็นหนึ่งในฮีโร่ที่ทำให้บอร์ดของเรายังรอดอยู่แม้ในวันที่อาจเกิดเรื่องที่ไม่คาดฝันขึ้น