Sådan forbedres ESD-beskyttelsen ved hjælp af transient diverteringssuppressorer

Udbredelsen af Industri 4.0, Industrial Internet of Things (IIoT) og 5G-telefoni resulterer i mere sofistikerede elektroniske enheder, der anvendes i mere barske og utilgængelige miljøer. Dette bidrager til behovet for gentagelig og deterministisk beskyttelse mod elektrostatisk udladning (ESD) og elektrisk overbelastning (EOS) i applikationer som industrirobotter, IO-Link-interfaces, industrielle sensorer og IIoT-enheder, programmerbare logikcontrollere (PLC'er) og Power over Ethernet (PoE). Disse applikationer skal opfylde kravene til transientbeskyttelse i IEC 61000. Mens TVS-dioder (TVS) til undertrykkelse af transiente spændinger har tjent designerne godt, kræver applikationer i stigende grad endnu mere deterministisk, lineær, kompakt og pålidelig ESD- og EOS-beskyttelse.

For at imødekomme disse stigende krav til ydeevne og formfaktor kan designere henvende sig til TDS-enheder (transient diverting suppressor), der kombinerer overlegen clamping, linearitet og stabilitet over temperatur, for at opnå et mere sikkert præstationsniveau. I stedet for at bortlede overspændingsenergi som en TVS-diode omdirigerer en TDS-enhed overspændingsenergien til jord. Da de ikke afgiver energi, kan TDS-enhederne være mindre end TVS-alternativerne, hvilket bidrager til mindre løsninger. Desuden kan TDS-enhedernes clampingspænding være 30 % mindre end TVS-dioder, hvilket reducerer systemspændinger og forbedrer pålideligheden.

Denne artikel beskriver, hvordan TDS-enheder fungerer, og hvilke fordele de giver i vigtige applikationer. Derefter præsenteres en række eksempler på TDS-enheder fra Semtech fra den virkelige verden sammen med retningslinjer for layout på printkortet for en vellykket anvendelse af dem.

Sådan fungerer TDS-overspændingsbeskyttelse

En felteffekttransistor (FET) med overspændingskarakter er det primære beskyttelseselement i en TDS-enhed. Når der opstår en EOS-hændelse, og den transiente spænding overstiger den integrerede præcisionstriggerkreds' nedbrydningsspænding (V_BR), aktiveres drevkredsen og tænder FET'en, som leder den transiente energi (I_PP) til jord (figur 1).

Figur 1: I en TDS-enhed aktiverer et præcisionstriggerkredsløb (til venstre) den FET-spændingsstyrede switch (til højre), når der registreres en EOS-hændelse, hvorved energispidsen (I_PP) ledes direkte til jord (Billedkilde: Semtech)

Efterhånden som pulsstrømmen stiger mod I_PP, bliver FET'ens tændingsmodstand (R_DS(ON)) nogle få milliohm (mΩ), og klemspændingen (V_C) er næsten den samme værdi som V_BR i udløserkredsløbet. Som følge heraf er V_C for en TDS-enhed næsten konstant i hele I_PP-området. Dette adskiller sig fra clampingvirkningen i en TVS-anordning, som er givet som:

Hvor R_dyn er den dynamiske modstand.

I en TVS-enhed er R_dyn en fast værdi, hvilket medfører, at clampingspændingen stiger lineært med stigninger i I_PP over det nominelle strømområde. For en TDS-enhed er V_C stabil over driftstemperaturområdet og I_PP-området, hvilket resulterer i deterministisk EOS-beskyttelse (figur 2).

Figur 2: Clampingspændingen er konstant på tværs af temperatur og I_pp for en TDS-enhed som TDS2211P (gennemgående linje), hvilket giver en deterministisk EOS-beskyttelse. (Billedkilde: Semtech)

TDS-enhedernes relativt lave V_C giver lavere belastninger på de beskyttede komponenter og forbedret pålidelighed (figur 3).

Figur 3: Den lave V_C (her vist som VClamp) i en TDS-enhed (grønt trace) forbedrer pålideligheden ved at reducere belastningen på de beskyttede komponenter. (Billedkilde: Semtech)

TDS-enhedens ydeevne understøtter design af systemer, der opfylder kravene i IEC 61000-4-2 for ESD-immunitet, IEC 61000-4-4 for immunitet over for burst/elektrisk hurtig transient (EFT) og IEC 61000-4-5 for overspændingsimmunitet. Dette gør TDS-enhederne egnede til brug i en række forskellige applikationer i barske miljøer. I de følgende afsnit præsenteres TDS-applikationseksempler, herunder en 22 volts TDS-enhed til beskyttelse af belastningsafbrydere, en 33 volts TDS-enhed, der er egnet til beskyttelse af IO-Link transceivere, og en 58 volts TDS-enhed, der kan bruges til at beskytte PoE-installationer.

Beskyttelse af Belsasttningsomskiftere

Belsasttningsomskiftere og e-sikringsindgange i industrielt udstyr, robotteknologi, fjernmålere, USB Power Delivery (PD) og IIoT-enheder kan beskyttes mod EOS-hændelser ved hjælp af 22 volt TDS2211P. EOS-beskyttelsesklassificeringerne for denne TDS-enhed omfatter:

• ESD-modstandsspænding på ±30 kilovolt (kV) for kontakt og luft, i henhold til IEC 61000-4-2
• Peakimpulsstrøm på 40 ampere (A) (t_p = 8/20 mikrosekunder (μs)), i henhold til IEC 61000-4-5, og ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; shuntmodstand (R_S) = 42 Ω), i henhold til IEC 61000-4-5 for usymmetriske linjer
• EFT-modstandsspænding på ±4 kV (100 kilohertz (kHz) og 5 kHz, 5/50 nanosekunder (ns)), i henhold til IEC 61000-4-4

Når TDS2211P anvendes i denne konfiguration, beskytter TDS2211P downstream-komponenter mod lynnedslag, ESD og andre EOS-hændelser, og den holder også V_C under skadetærsklen for den skiftende FET i lastkontakten (Figur 4).

Figur 4: TDS2211P kan bruges til at beskytte en belastningsafbryder (HS2950P) og downstream-komponenter mod lynnedslag, ESD og andre EOS-hændelser. (Billedkilde: Semtech)

IO-Link-beskyttelse

Ud over de generelle ESD- og EOS-risici, der findes i industrielle miljøer, kan IO-Link-transceivere opleve spændingsspidser på flere tusinde volt, når de tilsluttes eller frakobles IO-Link-masterenheden. TVS-dioder, der typisk anvendes til at beskytte IO-Link-transceivere, kan suppleres med TDS-enheder for at forbedre beskyttelsen. En typisk kredsløbsbeskyttelsesapplikation anvender enheder, der er normeret til mindst 115 % af inputforsyningen, så til en 24-volts applikation som IO-Link er en 33-volts beskyttelsesenhed som TDS3311P TDS velegnet. De vigtigste specifikationer for TDS3311P omfatter:

• ESD-modstandsspænding på ±30 kV for både kontakt og luft, som krævet af IEC 61000-4-2
• Peak impulsstrømkapacitet på 35 A (t_p = 8/20 μs) og 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), som krævet i IEC 61000-4-5 for usymmetriske linjer
• Opfylder IEC 61000-4-4 for burst/EFT-immunitet

Der er to almindelige IO-Link-portkonfigurationer, 3 ben og 4 ben, som kræver lidt forskellige beskyttelsesordninger. I begge tilfælde kan TDS-enhederne suppleres med en µClamp3671P TVS-diode på V_BUS-linjen (L+(24 volt)) for at beskytte mod omvendt polaritet (Figur 5).

Figur 5: Sammenligning af ESD-beskyttelse ved hjælp af TDS-enheder (grønne rektangler) for en 3-benet IO-Link-port (øverst) og 4-benet IO-Link-port (nederst). (Billedkilde: Semtech)

I tilfælde af en 3-benet implementering er der behov for 3 TDS-enheder. Hvis det ønskes, kan der ydes tovejsbeskyttelse ved at de to TDS3311P'er er placeret over for hinanden. Når der anvendes en 4-bens konfiguration, skal alle fire ben på IO-Link-porten kunne modstå både positive og negative overspændinger. Der er behov for testning for at sikre IO-Link-transceiveres overspændingsbeskyttelse mellem alle par pins på stikket, og den bør udføres på de niveauer, der kræves i IEC 61000-4-2 for ESD, IEC 61000-4-4 for burst/EFT og IEC 61000-4-5 for overspænding.

Beskyttelse af PoE

PoE-beskyttelsesordninger skal tage højde for muligheden for, at EOS-hændelser kan være common mode (i forhold til jord) eller differentielle (linje til linje). PoE leverer strøm ved 48 volt, så en 58 volts TDS-enhed som TDS5801P kan bruges til at yde EOS-beskyttelse på RJ-45-stiksiden. Specifikationerne for TDS5801P omfatter:

• ESD-modstandsspænding: ±15 kilovolt (kV) (kontakt) og ±20 kV (luft) som krævet i henhold til IEC 61000-4-2
• Peak impulsstrømskapacitet: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) i henhold til IEC 61000-4-5
• EFT-modstandsspænding på ±4 kV (100 kHz og 5 kHz, 5/50 ns) som krævet af IEC 61000-4-4

Strøm i et PoE-system leveres ved hjælp af transformerens midterste stikforbindelser. PD-siden (RJ-45) skal beskytte både Mode A (strøm leveres ved hjælp af datapar 1 & 2 og 3 & 6) og Mode B (ben 4 & 5 og ben 7 & 8 leverer strøm), så der kræves to par TDS5801P'er til tovejsbeskyttelse på tværs af centerafgangsforbindelserne (Figur 6).

Figur 6: TDS-enheder (grønt, TDS5801P) giver tovejsbeskyttelse mod EOS-hændelser i et PoE-system. (Billedkilde: Semtech)

Transformatoren sørger for isolering af common mode, men den beskytter ikke mod differentielle overspændinger. Under en differentiel EOS-hændelse oplades transformatorviklingerne på linjesiden, og energi overføres til sekundærsiden, indtil overspændingen ophører, eller transformeren mættes. TDS-enhederne på PD-siden kan suppleres med fire RClamp3361P ESD-beskyttelsesenheder placeret på Ethernet-fysisk lag (PHY) side af transformeren for at beskytte mod differentielle EOS-hændelser.

TDS-enheder

Der findes SurgeSwitch TDS-enheder, som tilbyder designere et udvalg af driftsspændinger, herunder 22 volt (TDS2211P), 30 (TDS3011P), 33 volt (TDS3311P), 40 volt (TDS4001P), 45 vols (TDS4501P), og 58 volt (TDS5801P) (Table 1). De opfylder kravene i IEC 61000 til brug i systemer, der fungerer i barske 5G-telefoni og industrielle miljøer.

Tabel 1: SurgeSwitch-enheder er tilgængelig med spændingsværdier fra 22 til 58 volt til en række forskellige anvendelseskrav. (Billedkilde: Semtech)

Da TDS-enheder er ikke-dissipative og afleder overspændingsenergi direkte til jord gennem en lav impedansvej, kan de indbygges i en lille pakke på 1,6 x 1,6 x 0,55 mm, hvilket giver betydelige pladsbesparelser i forhold til SMA- og SMB-pakker, der ofte bruges til at huse andre overspændingsbeskyttelsesenheder. 6-benet DFN-pakke indeholder tre indgangsstifter og 3 ben til afledning af overspændingsenergien til jord (Figur 7).

Figur 7: TDS-enheder leveres i en DFN-pakke på 1,6 x 1,6 x 0,55 mm med 6 ledninger (til højre); ben 1, 2 og 3 forbindes til jord, mens ben 4, 5 og 6 er EOS-/ESD-beskyttelsesindgangen. (Billedkilde: Semtech)

Retningslinjer for layout af tavler

Når du placerer en SurgeSwitch TDS-enhed på et printkort, skal alle jord-ben (1, 2 og 3) være forbundet til et enkelt trace, og alle indgangsben (4, 5 og 6) skal være forbundet til et enkelt trace for at opnå maksimal overspændingsstrømskapacitet. Hvis jorden er på et andet lag af printkortet, anbefales det desuden, at der anvendes flere vias til at forbinde med jordpladen (Figur 8). Ved at følge disse retningslinjer for layout af printkortet minimeres parasitære induktanser og optimeres enhedens ydeevne. Desuden skal SurgeSwitch TDS-enheden placeres så tæt som muligt på det stik eller den enhed, der skal beskyttes. Dette minimerer enhver kobling af transient energi til tilstødende traces og er især vigtigt under EOS-hændelser med hurtig stigningstakt. Da TDS-enheder ikke afgiver nogen energi, er der ikke behov for en termisk pude under enheden til at lede den termiske energi væk.

Figur 8: For at opnå optimal ydelse anbefales det at forbinde med flere vias, når jordpladen er på et andet lag af printkortet end TDS-enheden. (Billedkilde: Semtech)

Konklusion

Designere af industrielt udstyr og 5G-telefoniudstyr, der opererer i barske miljøer, kan henvende sig til TDS-enheder til at yde pålidelig og deterministisk beskyttelse mod ESD- og EOS-hændelser. TDS-enhedernes relativt lave V_C øger systemets pålidelighed ved at reducere belastningen af komponenterne. Disse enheder opfylder kravene til transientbeskyttelse i IEC 61000 og er tilgængelig i en række spændinger fra 22 til 58 volt for at opfylde kravene i specifikke applikationer. Deres kompakte størrelse er med til at reducere den samlede løsningsstørrelse, men designere skal følge nogle enkle krav til printkortlayoutet for at opnå den maksimale ydeevne fra TDS-enheder.

Anbefalet læsning

1. Brug af robuste Ethernet-stik med høj hastighed til industrielle kommunikationsnetværk
2. Sådan optimerer du nemt AC/DC-konvertere til at opfylde en lang række EMC-krav
3. Hvorfor og hvordan man effektivt bruger elektroniske sikringer til at beskytte følsomme kredsløb