📘 Diodo Supressor de Tensão Transitória (TVS / Transil)

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1. Identificação Normativa e Símbolos

Parâmetro Normativo	Série SMD (SMBJ / SMCJ)	Série Axial (1.5KE / 5.0KE)
Normas Internacionais de Ensaio	IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT), IEC 61000-4-5 (Surto), MIL-STD-750	IEC 61000-4-5, JEDEC DO-201AE, UL 497B
Potência de Pico de Pulso ($P_{\text{ppm}}$)	$600\text{W}$ (SMBJ) a $1500\text{W}$ (SMCJ) @ $10/1000\mu \text{s}$	$1500\text{W}$ (1.5KE) a $5000\text{W}$ (5.0KE) @ $10/1000\mu \text{s}$
Tensão de Trabalho Reversa ($V_{\text{RWM}}$)	$5.0\text{V}\text{ a }440\text{V}$ contínuos (tensão de não disparo)	$6.8\text{V}\text{ a }440\text{V}$ contínuos
Tensão de Ruptura Mínima ($V_{\text{BR}}$)	Medida tipicamente a $I_T=1.0\text{mA}$ ($V_{\text{BR}}\approx 1.1\times V_{\text{RWM}}$)	Medida tipicamente a $I_T=1.0\text{mA}$
Tensão Máxima de Grampeamento ($V_C$)	Tensão suportada sob corrente de pico $I_{\text{pp}}$ ($V_C\approx 1.4\text{ a }1.6\times V_{\text{BR}}$)	Tensão suportada sob corrente de pico $I_{\text{pp}}$
Tempo de Resposta Térmica ($t_{\text{clamping}}$)	$<1.0\text{ps}$ teórico (unidirecional) / $<5.0\text{ns}$ (bidirecional)	$<1.0\text{ps}$ / $<5.0\text{ns}$
Capacitância Parasita de Junção ($C_j$)	Alta: $500\text{ a }4000\text{pF}$ (exige TVS especiais de baixa capacitância para linhas de dados rápidos)	Alta: $1000\text{ a }8000\text{pF}$

graph LR
    subgraph "Simbologia TVS Conforme IEC 60617"
        direction TB
        subgraph "Unidirecional (DC)"
            A1["Ânodo"] --> D1["▷| (Zener duplo chanfrado)"] --> K1["Cátodo"]
        end
        subgraph "Bidirecional (AC / Dados Diferenciais)"
            T1["Terminal 1"] --> D2["|◁ ▷| (Dois Zeners em Oposição Série)"] --> T2["Terminal 2"]
        end
    end

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2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte

Tabela de Chamada Anatômica do Corte

N°	Elemento Construtivo	Material de Engenharia	Função Física e Justificativa de Projeto
①	Die de Junção P-N de Área Gigante	Silício monocristalino ultra-plano dopado para avalanche uniforme	Ao contrário de um Zener comum (projetado para miliwatts contínuos), a pastilha do TVS possui área de 5 a 10 vezes maior, distribuindo a densidade de corrente de surto ($\text{A}/{\text{mm}}^2$) homogeneamente para evitar fusão localizada por pontos quentes (hot spots).
②	Passivação em Vidro de Alta Rigidez	Camada espessa de vidro borossilicato de alta pureza (Glass Passivated Pellet)	Isola e protege a periferia da junção PN contra correntes de arco superficial durante transitórios com $dV/dt>10\text{kV}/\mu \text{s}$. Garante corrente de fuga $I_R<1\mu \text{A}$ em regime permanente.
③	Substrato / Eletrodo Ôhmico Reforçado	Solda eutética Ouro-Silício ($\text{Au-Si}$) ou Prata-Estanho sobre base de cobre	Assegura resistência série parasita de contato quase nula ($R_S\to 0$), minimizando a inclinação $\Delta V/\Delta I$ da curva de grampeamento sob centenas de ampères.
④	Dissipador Interno de Cobre Maciço	Cobre eletrolítico OFHC (Oxygen-Free High Conductivity)	Atua como armazenador térmico de calor latente. Durante os pulsos de $10/1000\mu \text{s}$ ou $8/20\mu \text{s}$, o calor não tem tempo mecânico de sair para a placa; o cobre interno absorve adiabaticamente a energia em Joules sem que o silício atinja a temperatura de fusão intrínseca ($>300{}^{\circ }\text{C}$).
⑤	Terminais de Conexão Mecânica	Liga de cobre estanhado (gull-wing para SMBJ ou pinos grossos para 1.5KE)	Minimizam a indutância parasita série ($L_{\text{lead}}$), crucial para evitar sobretensões induzidas adicionais dadas por $V=L\cdot \frac{di}{dt}$.
⑥	Massa Termoplástica Epóxi	Resina epóxi retardante de chama autoextinguível (UL 94 V-0)	Suporta a pressão interna causada pela rápida expansão térmica durante surtos de milhares de watts sem explodir a carcaça.

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3. Física e Princípios de Funcionamento

3.1 Mecanismo de Supressão: Avalanche Térmica Maciça

O TVS permanece em estado de corte de alta impedância enquanto a tensão entre seus terminais for inferior à tensão de trabalho contínua máxima ($V_{\text{RWM}}$ — Reverse Working Maximum Voltage). Quando um transitório de sobretensão (induzido por chaveamento indutivo, descarga atmosférica ou ESD) excede a tensão de ruptura $V_{\text{BR}}$:

1. O campo elétrico na zona de depleção ultrapassa a rigidez crítica do silício ($E_c\approx 3\times 10^5\text{V/cm}$).
2. Inicia-se a ionização por impacto: portadores minoritários acelerados colidem com a rede cristalina, liberando novos pares elétron-lacuna em progressão geométrica exponencial (efeito avalanche).
3. A impedância dinâmica do TVS colapsa para uma fração de ohm ($r_{\text{dyn}}\approx 0.05\text{ a }0.3\Omega$), desviando com segurança toda a corrente de surto ($I_{\text{pp}}$) para o terra e mantendo a tensão nos terminais do circuito protegido estritamente grampeada em $V_C$.

flowchart LR
    Surto["Sobretensão Transitória (ESD / Surto)"] --> V_excede["Tensão ultrapassa V_BR"]
    V_excede --> Avalanche["Avalanche na Junção P-N Maciça"]
    Avalanche --> QuedaZ["Impedância r_dyn cai para < 0.2 Ω"]
    QuedaZ --> Desvio["Desvia I_pp para o Terra em picosegundos"]
    Desvio --> Grampeamento["Tensão na carga protegida fica limitada a V_C"]

3.2 Formas de Onda Padronizadas: $10/1000\mu \text{s}$ e $8/20\mu \text{s}$

A especificação de potência do TVS depende do tempo do pulso de ensaio normalizado:

• Pulso $10/1000\mu \text{s}$ (IEC 61000-4-5 / Telecom / Raios indiretos):
  • Tempo de subida da frente de onda: $t_r=10\mu \text{s}$ (de $10\%$ a $90\%$ do pico).
  • Tempo de meia-vida da cauda: $t_d=1000\mu \text{s}$ (decréscimo até $50\%$ do pico).
  • É a referência para a potência de catálogo $P_{\text{ppm}}$ (ex: $600\text{W}$ para SMBJ).
• Pulso $8/20\mu \text{s}$ (Surtos induzidos de alta corrente):
  • Subida de $8\mu \text{s}$, decaimento em $20\mu \text{s}$.
  • Devido à duração muito menor, a capacidade de corrente do TVS sob pulso $8/20\mu \text{s}$ é de 3 a 5 vezes maior que sob $10/1000\mu \text{s}$.

graph TD
    subgraph "Classificação de Transientes"
        ESD["ESD (Descarga Eletrostática)<br>IEC 61000-4-2<br>Subida: ~1 ns | Duração: 60 ns<br>Energia: baixa (~mJ) | Tensão: até 15 kV"]
        EFT["EFT (Burst de Chaveamento)<br>IEC 61000-4-4<br>Subida: 5 ns | Duração: 50 ns (trens de pulso)<br>Origem: contatores e relés"]
        Surge["Surto Induzido / Raios<br>IEC 61000-4-5<br>Forma: 8/20 µs ou 10/1000 µs<br>Energia: altíssima (~dezenas de Joules)"]
    end

3.3 Relação Fundamental de Grampeamento e Potência

A potência instantânea dissipada durante o pico do surto é dada por: $P_{\text{ppm}}=V_C\cdot I_{\text{pp}}$

Onde:

• $V_C$: Tensão de grampeamento (Clamping Voltage) no pico da corrente de surto.
• $I_{\text{pp}}$: Corrente de pico de pulso (Peak Pulse Current).

O fator de grampeamento (Clamping Factor) é a razão entre $V_C$ e a tensão de ruptura $V_{\text{BR}}$: $F_C=\frac{V_C}{V_{\text{BR}}}\approx 1.35\text{ a }1.55$

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4. Esquema Prático de Aplicação: Proteção de Barramento Industrial 24V DC

O TVS deve ser instalado o mais próximo possível da entrada dos conectores de alimentação, com trilhas largas e conexões ultra-curtas de terra.

graph LR
    subgraph "Entrada Não Confiável (Ambiente Industrial)"
        V_IN["+24V DC Externo (Com ruídos/surtos)"]
        GND_EXT["GND Externo"]
    end
    
    subgraph "Célula de Proteção e Filtragem"
        Fusivel["Fusível Rearmável PPTC (1.5A)"]
        TVS["Diodo TVS SMBJ28CA (Bidirecional)"]
        Indutor["L1 (Ferrite 10µH)"]
        CapFiltragem["C1 (100nF Cerâmico)"]
    end
    
    subgraph "Carga Sensível Protegida"
        Regulador["Regulador DC-DC Buck (V_max_in = 45V)"]
        MCU["Microcontrolador + Sensores"]
    end
    
    V_IN --> Fusivel --> TVS --> Indutor --> Regulador --> MCU
    GND_EXT --> TVS
    GND_EXT --> CapFiltragem
    Indutor --> CapFiltragem --> Regulador

Princípio da Coordenação TVS + PPTC

1. Durante um surto rápido transitório ($<1\text{ms}$), o TVS entra em condução em picosegundos e grampeia a tensão em um nível seguro ($V_C<45\text{V}$), absorvendo a energia sem acionar o fusível.
2. Em caso de sobretensão contínua permanente (ex: ligação incorreta acidental em $220\text{V}$ ou falha catastrófica da fonte), o TVS conduz continuamente. A corrente intensa resultante aquece e desarma o PPTC (fusível rearmável), cortando a linha antes que o TVS ultrapasse seu limite térmico permanente e queime em curto-circuito definitivo.

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5. Dimensionamento Passo a Passo e Projeto Numérico Resolvido

5.1 Especificações do Projeto

• Linha a ser protegida: Barramento de alimentação industrial de sensores $24\text{V DC}$.
• Tolerância máxima da fonte de alimentação: $V_{\text{bus\_max}}=24\text{V}+20\%=28.8\text{V DC}$.
• Tensão máxima absoluta suportada pelo conversor DC-DC a jusante ($V_{\text{abs\_max}}$): $45.0\text{V DC}$.
• Nível de ensaio de surto: Conforme IEC 61000-4-5 Classe 2: pulso $10/1000\mu \text{s}$ com corrente de surto estimada na entrada de $I_{\text{surge}}=12.0\text{A}$.
• Temperatura de operação ambiente máxima: $T_A=60{}^{\circ }\text{C}$.

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5.2 Passo 1: Seleção da Tensão de Trabalho Reversa ($V_{\text{RWM}}$)

O TVS nunca deve entrar em condução durante a operação normal ou na faixa máxima de tolerância contínua da fonte. Portanto: $V_{\text{RWM}}\ge V_{\text{bus\_max}}$ $V_{\text{RWM}}\ge 28.8\text{V}$

Consultando a tabela comercial da família SMBJ:

• Modelo SMBJ26A: $V_{\text{RWM}}=26.0\text{V}$ ❌ (muito baixo, conduzirá com os $28.8\text{V}$ de pico da fonte).
• Modelo SMBJ28A / SMBJ28CA: $V_{\text{RWM}}=28.0\text{V}$ (limítrofe).
• Modelo SMBJ30A / SMBJ30CA: $V_{\text{RWM}}=30.0\text{V}$ ✅ (fornece margem de segurança de $4.1\%$ acima de $28.8\text{V}$).

Seleção Uni vs. Bidirecional

Em barramentos DC sujeitos a inversão acidental de polaridade ou ruídos oscilatórios alternados induzidos, adota-se a versão bidirecional (sufixo CA): SMBJ30CA.

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5.3 Passo 2: Verificação da Tensão de Ruptura ($V_{\text{BR}}$)

Para o SMBJ30CA, os parâmetros de catálogo a $25{}^{\circ }\text{C}$ são:

• $V_{\text{BR\_min}}=33.3\text{V}$ @ $I_T=1.0\text{mA}$.
• $V_{\text{BR\_max}}=36.8\text{V}$ @ $I_T=1.0\text{mA}$.

Como $V_{\text{BR\_min}}=33.3\text{V}>28.8\text{V}$, garantimos que em regime permanente a corrente de fuga reversa será estritamente desprezível ($I_R<1\mu \text{A}$).

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5.4 Passo 3: Verificação da Tensão Máxima de Grampeamento ($V_C$)

O circuito a jusante (conversor DC-DC) queima instantaneamente se a tensão atingir $45.0\text{V}$. No catálogo do SMBJ30CA:

• Para o pico de corrente nominal $I_{\text{pp}}=12.4\text{A}$ ($10/1000\mu \text{s}$): $V_{C\_cat\acute{a}logo}=48.4\text{V}$

⚠️ Atenção: A tensão máxima de catálogo ($48.4\text{V}$) sob a corrente máxima do fabricante ($12.4\text{A}$) excede o limite absoluto do CI protegido ($45.0\text{V}$)!

Vamos calcular a tensão de grampeamento real para a corrente do nosso projeto ($I_{\text{surge}}=12.0\text{A}$): A resistência dinâmica diferencial da junção em condução por avalanche é: $r_{\text{dyn}}=\frac{V_C-V_{\text{BR\_typ}}}{I_{\text{pp}}}=\frac{48.4\text{V}-35.0\text{V}}{12.4\text{A}}\approx 1.08\Omega$

Sob $I_{\text{surge}}=12.0\text{A}$: $V_{C\_real}=V_{\text{BR\_max}}+r_{\text{dyn}}\cdot (I_{\text{surge}}-I_T)=36.8\text{V}+1.08\cdot 12\approx 49.7\text{V}$ O valor excede os $45\text{V}$ seguros. O componente SMBJ ($600\text{W}$) é marginal para esta rigidez!

Redimensionamento de Engenharia: Migração para a Série SMCJ ($1500\text{W}$)

Selecionando o SMCJ28CA ($1500\text{W}$):

• $V_{\text{RWM}}=28.0\text{V}$
• $V_{\text{BR\_min}}=31.1\text{V}$
• Corrente nominal suportada: $I_{\text{pp}}=33.0\text{A}$
• Tensão de grampeamento em catálogo @ $33.0\text{A}$: $V_C=45.4\text{V}$
• Resistência dinâmica do chip maior: $r_{\text{dyn\_SMC}}=\frac{45.4\text{V}-32.5\text{V}}{33.0\text{A}}\approx 0.39\Omega$

Sob o nosso surto de projeto de $12.0\text{A}$: $V_{C\_projeto}=V_{\text{BR\_max}}+r_{\text{dyn\_SMC}}\cdot I_{\text{surge}}=34.4\text{V}+(0.39\times 12.0)=34.4\text{V}+4.68\text{V}=39.08\text{V}$

Verificação de integridade: $V_{C\_projeto}=39.08\text{V}<V_{\text{abs\_max}}=45.0\text{V}\text{✅ APROVADO com margem de }13.1\%!$

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5.5 Passo 4: Verificação da Potência Dissipada e Derating Térmico

A potência de pico absorvida pelo diodo SMCJ no surto de $12\text{A}$ será: $P_{\text{pulso}}=V_{C\_projeto}\cdot I_{\text{surge}}=39.08\text{V}\times 12.0\text{A}=468.96\text{W}$

Para $T_A=60{}^{\circ }\text{C}$, aplicamos a curva de derating térmico da norma JEDEC: A potência nominal do SMCJ é especificada a $25{}^{\circ }\text{C}$ ($1500\text{W}$) e decai linearmente até $0\text{W}$ a $T_{\text{max}}=150{}^{\circ }\text{C}$: $\text{Derating}(\%)=1-\frac{T_A-25}{150-25}=1-\frac{60-25}{125}=1-0.28=72\%$

Potência máxima permitida a $60{}^{\circ }\text{C}$: $P_{\text{ppm\_admissıˊvel}}=1500\text{W}\times 0.72=1080\text{W}$

Comparação: $P_{\text{pulso}}(468.96\text{W})\ll P_{\text{ppm\_admissıˊvel}}(1080\text{W})\text{✅ APROVADO com folga de mais de }56\%!$

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Layout PCB

6.1 Modos Típicos de Falha

1. Curto-Circuito Definitivo (Fail-Safe Short Circuit):
   • É o modo de falha padrão de semicondutores de proteção por avalanche. Se o TVS for submetido a um surto com energia superior à sua capacidade térmica adiabática, a junção funde e vira uma massa metálica de baixa resistência (curto-circuito entre pinos).
   • Vantagem de projeto: O circuito a jusante permanece protegido contra queima catastrófica, sacrificando o TVS e acionando o fusível a montante.
2. Abertura por Explosão da Carcaça (Open Circuit Burst):
   • Ocorre se um surto de altíssima corrente e longa duração circular sem fusível a montante. O curto-circuito inicial do silício conduz corrente ilimitada até explodir o encapsulamento epóxi, deixando a linha subsequente totalmente desprotegida contra os próximos surtos.

6.2 Regras Mandatórias de Layout em Placa de Circuito Impresso (PCB)

A Indutância de Trilha Mata a Proteção do TVS!

Uma trilha fina de $10\text{mm}$ na placa possui indutância parasita de aproximadamente $L\approx 10\text{nH}$. Sob um evento de descarga eletrostática (ESD) de subida ultrarrápida ($\Delta I=30\text{A}$ em $\Delta t=1\text{ns}$): $V_{\text{induzida}}=L\cdot \frac{di}{dt}=10\times 10^{-9}\cdot \frac{30}{1\times 10^{-9}}=300\text{V}!$ Essa tensão parasita soma-se diretamente à tensão de grampeamento do TVS, destruindo o circuito integrado mesmo com o melhor diodo do mundo instalado!

1. Topologia “Straight-Through” (Sem derivações em T / Stub Traces):
   • A linha de alimentação ou sinal deve passar obrigatoriamente por cima dos pads do TVS antes de seguir para o resto da placa. Nunca use pistas secundárias longas até o TVS.
2. Retorno de Terra de Impedância Ultra-Baixa:
   • O terminal de terra do TVS deve conectar-se ao plano de terra principal através de múltiplas vias em paralelo (no mínimo 2 a 4 vias de $0.3\text{mm}$) posicionadas diretamente ao lado dos terminais do componente.
3. Isolamento de Linhas Sujas e Linhas Limpas:
   • As trilhas anteriores ao TVS (“sujas”, com surto) não devem correr em paralelo ou próximas às trilhas posteriores (“limpas”), evitando acoplamento capacitivo parasita que faria a sobretensão saltar o estágio de proteção.