Slik forbedrer du ESD-beskyttelse ved hjelp av overspenningsavledere

Spredningen av industri 4.0, industrielle tingenes internett (IIoT) og 5G-telefoni fører til at mer sofistikerte elektroniske enheter blir distribuerte i tøffere og mer utilgjengelige miljøer. Dette bidrar til behovet for repeterbar og deterministisk beskyttelse mot elektrostatisk utladning (ESD) og elektrisk overbelastning (EOS) hendelser i utrustninger som industrielle roboter, IO-Link grensesnitt, industrielle sensorer og IIoT-enheter, programmerbare logiske styringer (PLS) og strøm over Ethernet (PoE). Disse utrustningene er nødvendige for å oppfylle kravene til forbigående beskyttelse i IEC 61000. Mens dioder for overspenningsdemping (TVS-DIODER) har tjent elektronikkdesignere godt, krever utrustninger i økende grad enda mer deterministisk, lineær, kompakt og pålitelig ESD- og EOS-beskyttelse.

For å møte disse økende ytelses- og formfaktorkravene kan designere benytte seg av seg til overspenningsavleder-enheter (TDS-enheter) som kombinerer overlegen begrensing, linearitet og stabilitet over ulike temperatur, for et mer sikret ytelsesnivå. Istedenfor å avgi overspenningsenergi som en TVS-diode, avleder en TDS-enhet overspenningsenergi til jord. Siden de ikke avgir energien, kan TDS-enheter være mindre sammenlignet med TV-alternativer, noe som bidrar til løsninger i mindre størrelse. I tillegg kan begresningsspenningen til TDS-enheter være 30 % mindre enn TVS-dioder, noe som reduserer systemspenninger og forbedrer påliteligheten.

Denne artikkelen beskriver hvordan TDS-enheter fungerer og fordelene de gir nøkkelutrustninger. Den introduserer deretter en rekke virkelige TDS-enhetseksempler fra Semtech sammen med retningslinjer for kretskortoppsett, for en vellykket kretskortutforming.

Slik fungerer TDS-overspenningsvern

En overspenningsbeskyttet felteffekttransistor (FET) er det primære beskyttelseselementet i en TDS-enhet. Når en EOS-hendelse inntreffer og transientspenningen overskrider gjennombruddsspenningen (V_BR) til den integrerte presisjonsutløserkretsen, aktiveres drivkretsen og slår på FET som leder den transientenergien (I_PP) til jord (figur 1).

Figur 1: I en TDS-enhet aktiverer en presisjonsutløserkrets (venstre) den spenningsstyrte FET-bryteren (høyre) når en EOS-hendelse oppdages, og avleder energispisse (I_PP) direkte til jord (Bildekilde: Semtech)

Når pulsstrømmen stiger mot I_PP, blir FET på motstand (R_DS(ON)) noen milliohm (mΩ), og begresningsspenningen (V_C) er nesten den samme verdien som V_BR i utløserkretsen. Som et resultat har V_C til en TDS-enhet er nesten konstant over I_PP område. Det skiller seg fra begrensingsvirkningen i en TVS-enhet, som er gitt som:

Der R_dyn er den dynamiske motstanden.

I en TVS-enhet er R_dyn en fastverdi som forårsaker at begrensingsspenningen øker lineært med økninger i I_PP over merkestrømområdet. For en TDS-enhet, V_C er stabil over driftstemperaturområdet, så vel som I_PP rekkevidde, noe som resulterer i deterministisk EOS-beskyttelse (Figur 2).

Figur 2: Begresningsspenningen er konstant ver ulike temperaturer, og I_pp for en TDS-enhet, for eksempel TDS2211P (fast linje), som gir deterministisk EOS-beskyttelse. (Bildekilde: Semtech)

Den relativt lave V_C for TDS-enheter resulterer i lavere spenninger på de beskyttede komponentene og forbedret pålitelighet (figur 3).

Figur 3: Den lave V_C (vist her som VClamp) til en TDS-enhet (grønn linje) forbedrer påliteligheten ved å redusere belastningen på de beskyttede komponentene. (Bildekilde: Semtech)

TDS-enhetens ytelse støtter konstruksjonen av systemer som oppfyller kravene i IEC 61000-4-2 for ESD-immunitet, IEC 61000-4-4 for gnist-transient/elektrisk rask transient (electrical fast transient – EFT) immunitet, og IEC 61000-4-5 for overspenningsimmunitet. Dette gjør TDS-enheter egnet for bruk på tvers av en rekke utrustninger i tøffe omgivelser. Følgende seksjoner presenterer eksempler på TDS-utrustninger, inkludert en 22 volt TDS-enhet for lastbryterbeskyttelse, en 33 volt TDS-enhet som er egnet for IO-Link-transceiverbeskyttelse, og en 58 volt TDS-enhet som kan brukes til å beskytte PoE-installasjoner.

Beskyttelse av lastbrytere

Lastbrytere og e-sikringsinnganger i industrielt utstyr, robotikk, eksterne målere, USB-strømforsyning (PD) og IIoT-enheter kan beskyttes mot EOS-hendelser ved hjelp av 22 volts TDS2211P. EOS-beskyttelsesklassifiseringene for denne TDS-enheten inkluderer:

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

Når den brukes i denne konfigurasjonen, beskytter TDS2211P nedstrøms komponenter mot lyn, ESD og andre EOS-hendelser, og den holder også V_C under skadeterskelen for å bryter-FET i lastbryteren (figur 4).

Figur 4: TDS2211P kan brukes til å beskytte en lastbryter (HS2950P) og nedstrøms komponenter mot lyn, elektrostatisk utladning (ESD) og andre EOS-hendelser. (Bildekilde: Semtech)

IO-Link-beskyttelse

I tillegg til de generelle ESD- og EOS-farene som finnes i industrimiljøer, kan IO-Link-transceivere oppleve spenningstopper (transienter) på flere tusen volt når de er koblet til eller fra IO-Link-hovedenheten. TVS-dioden som vanligvis brukes til å beskytte IO-Link-transceivere, kan suppleres med TDS-enheter for forbedret beskyttelse. En typisk kretsbeskyttelsesutrustning bruker enheter klassifisert for minst 115 % av inngangsforsyningen, så for en 24 volts utrustning som IO-Link, er en 33 volts beskyttelsesenhet som TDS3311P TDS egnet. De viktigste spesifikasjonene for TDS3311P inkluderer:

• ESD-motstandsspenning på ±30 kV for både kontakt og luft, som kreves av IEC 61000-4-2
• Toppulsstrøm på 35 A (t_p = 8/20), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S) = 42 Ω) som er påkrevd av IEC 61000-4-5 for usymmetriske linjer
• Oppfyller IEC 61000-4-4 for gnist-transient/EFT-immunitet

Det er to vanlige IO-Link-portkonfigurasjoner, 3-pinners og 4-pinners, som krever litt forskjellige beskyttelsessystemer. I begge tilfeller kan TDS-enhetene suppleres med en µClamp3671P TVS-diode på V_-bussen (L+(24 volt)) for omvendt polaritetsbeskyttelse (figur 5).

Figur 5: Sammenligning av ESD-beskyttelse ved bruk av TDS-enheter (grønne rektangler) for en 3-pinners IO-Link-port (topp) og 4-pinners IO-Link-port (bunn). (Bildekilde: Semtech)

Ved en 3-pinners implementasjon kreves 3 TDS-enheter. Om ønskelig kan toveis beskyttelse gis ved at de to TDS3311P-ene vender mot hverandre. Når en 4-pinners konfigurasjon brukes, skal alle fire pinnene i IO-Link-porten tåle både positive og negative overspenninger. Testing for å sikre overspenningsvernytelsen til IO-Link-transceivere er nødvendig mellom alle pinnene på kontakten, det bør utføres ved nivåene som kreves av IEC 61000-4-2 for ESD, IEC 61000-4-4 for gnist-transient/EFT og IEC 61000-4-5 for overspenninger.

Beskyttelse for POE

PoE-beskyttelsesordninger skal ta hensyn til muligheten for at EOS-hendelser kan være fellesmodus (med hensyn til jord) eller differensial (linje til linje). PoE leverer strøm ved 48 volt, så en 58 volt TDS-enhet som TDS5801P kan brukes til å gi EOS-beskyttelse på RJ-45-kontaktsiden. Spesifikasjoner for TDS5801P inkluderer:

• ESD-holdespenning (motstandsspenning): ±15 kilovolt (kV) (kontakt) og ±20 kV (luft) etter behov for IEC 61000-4-2
• Toppulsstrømskapasitet på 20 A (t_p = 8/20), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S) = 42 Ω) som er ifølge IEC 61000-4-5
• ESD-holdespenning (motstandsspenning) (100 kHz og 5 kHz, 5/50 ns), som kreves av IEC 61000-4-4

Strøm i et PoE-system leveres ved hjelp av midtre uttakene på transformatoren. PD (RJ-45) -siden må beskytte både modus A (kraft levert ved hjelp av datapar 1 og 2 og 3 og 6) og modus B (pinnene 4 og 5 og pinnene 7 og 8 leverer strøm), så to par TDS5801P kreves for toveis beskyttelse over de midtre uttakene (figur 6).

Figur 6: Back-to-back TDS-enheter (grønn, TDS5801P) gir toveis beskyttelse mot EOS-hendelser i et PoE-system. (Bildekilde: Semtech)

Vanlig modus isolasjon er gitt av transformatoren, men den beskytter ikke mot differensielle overspenninger. Under en differensiell EOS-hendelse lades transformatorviklingene på linjesiden og energien overføres til sekundærsiden inntil overspenningen slutter eller transformatoren mettes. TDS-enhetene på PD-siden kan suppleres med fire RClamp3361P ESD-beskyttelsesenheter plassert på Ethernet physical layer (PHY)-siden av transformatoren for å beskytte mot differensielle EOS-hendelser.

TDS-enheter

SurgeSwitch TDS-enheter er tilgjengelige som tilbyr designere et utvalg driftsspenninger, inkludert 22 volt (TDS2211P), 30 volt (TDS3011P ), 33 volt (TDS3311P), 40 volt (TDS4001P ), 45 volt (TDS4501P ), og 58 volt (TDS5801P) (tabell 1). De oppfyller kravene i IEC 61000 for bruk i systemer som opererer i tøffe 5G-telefoni- og industrimiljøer.

Tabell 1: Overspenningsbrytere (SurgeSwitch TDS-enheter) er tilgjengelige med spenningsnivåer fra 22 til 58 volt for en rekke utrustningskrav. (Bildekilde: Semtech)

Siden TDS-enheter er ikke-avgivende og avleder overspenningsenergi direkte til jord gjennom en lavimpedansbane, kan de plasseres i en liten kapsling på 1,6 x 1,6 x 0,55 mm som gir betydelige kortbesparelser i forhold til SMA- og SMB-kapslingene, som ofte brukes til å huse andre overspenningsvernenheter. Den 6-pinners DFN-kapslingen inkluderer tre inngangspinner og 3 pinner for å avlede overspenningsenergien til jord (figur 7).

Figur 7: TDS-enheter leveres i en DFN-kapsling som måler 1,6 x 1,6 x 0,55 mm med 6 ledninger (høyre); pinnene 1, 2 og 3 kobles til jord, mens pinnene 4, 5 og 6 er EOS-/ESD-beskyttelsesinngangen. (Bildekilde: Semtech)

Retningslinjer for kortlayout

Når du plasserer en overspenningsbryter (SurgeSwitch TDS-enhet) på et kretskort, må alle jordingspinnene (1, 2 og 3) kobles til en enkel bane, og alle inngangspinnene (4, 5 og 6) må kobles til en enkel bane for maksimal kapasitet for overspenningsstrøm. Hvis jord er på et annet lag i kretskortet, anbefales det videre at flere gjennomgående hull (gjennomgangsbaner) brukes for å koble til jord (figur 8). Ved å følge disse retningslinjene for layout/planløsning av kretskortet, minimerer du parasittinduktans og optimaliserer enhetens ytelse. I tillegg bør overspenningsbryteren (SurgeSwitch TDS-enheten) plasseres så nær som mulig til kontakten eller enheten som skal beskyttes. Dette minimerer enhver kobling av forbigående energi til tilstøtende bane og er spesielt viktig under EOS-hendelser med rask stigetid. Siden TDS-enheter ikke avgir energi, er det ikke behov for en kjøleplate under enheten for å lede bort varmeenergi (termisk energi).

Figur 8: For optimal ytelse anbefales tilkobling til flere gjennomgangsbaner, når grunnplanet er på et annet lag av kretskortet enn TDS-enheten. (Bildekilde: Semtech)

Konklusjon

Designere av industri- og 5G-telefoniutstyr som opererer i tøffe omgivelser, kan benytte seg av til TDS-enheter for å gi pålitelig og deterministisk beskyttelse mot ESD- og EOS-hendelser. Den relativt lave V_C av TDS-enheter øker systemets pålitelighet ved å redusere komponentspenninger. Disse enhetene oppfyller kravene til forbigående beskyttelse i IEC 61000 og er tilgjengelige i et spenningsområde fra 22 til 58 volt for å oppfylle kravene til spesifikke bruksområder. Deres kompakte størrelse bidrar til å redusere den størrelsen på den totale løsningen, men designere må følge noen enkle krav til oppsett av kretskort, for å få nytte av maksimal ytelse fra TDS-enheter.

Anbefalt lesing

1. Bruk av høyhastighets, robuste Ethernet-kontakter for industrielle kommunikasjonsnettverk
2. Slik optimaliserer du AC-DC-omformere enkelt for å oppfylle et bredt spekter av EMC-krav
3. Slik og derfor brukes elektroniske sikringer effektivt til å beskytte følsomme kretser