Cum să îmbunătățiți protecția ESD utilizând supresoare de deviere a supratensiunilor tranzitorii

Expansiunea Industriei 4.0, a internetului industrial al obiectelor (IIoT) și a telefoniei 5G are ca rezultat implementarea unor dispozitive electronice tot mai sofisticate, în medii tot mai dure și mai inaccesibile. Acest lucru contribuie la nevoia unei protecții repetabile și deterministe împotriva descărcărilor electrostatice (ESD) și a evenimentelor de suprasolicitare electrică (EOS) în aplicații precum roboți industriali, interfețe IO-Link, senzori industriali și dispozitive IIoT, controlere logice programabile (PLC) și alimentarea prin Ethernet (PoE). Aceste aplicații trebuie să îndeplinească cerințele în materie de protecție împotriva supratensiunilor tranzitorii ale IEC 61000. În timp ce diodele de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) au fost de un real ajutor pentru proiectanți, aplicațiile necesită din ce în ce mai mult o protecție ESD și EOS mai deterministă, liniară, compactă și fiabilă.

Pentru a răspunde acestor cerințe în creștere legate de performanță și de factorul de formă, proiectanții pot apela la supresoarele de deviere a supratensiunilor tranzitorii (TDS), care combină fixarea superioară, liniaritatea și stabilitatea pe întregul interval de temperaturi de funcționare, pentru un nivel mai sigur de performanță. Mai degrabă decât să disipeze energia de supratensiune ca o diodă TVS, un dispozitiv TDS deviază energia de supratensiune către masă. Deoarece nu disipă energia, dispozitivele TDS pot fi mai mici comparativ cu alternativele TVS, contribuind la obținerea unei soluții de dimensiuni mai mici. În plus, tensiunea de fixare a dispozitivelor TDS poate fi cu 30% mai mică decât cea a diodelor TVS, reducând solicitările din sistem și îmbunătățind fiabilitatea.

Acest articol descrie modul de funcționare a dispozitivelor TDS și beneficiile pe care le aduc aplicațiilor cheie. Apoi, prezintă o varietate de exemple de dispozitive TDS din lumea reală de la Semtech, împreună cu instrucțiuni privind configurația plăcii de circuite imprimate pentru aplicarea lor cu succes.

Cum funcționează protecția la supratensiune TDS

Un tranzistor cu efect de câmp (FET) evaluat pentru supratensiune este elementul principal de protecție într-un dispozitiv TDS. Atunci când apare un eveniment EOS și tensiunea tranzitorie depășește tensiunea de străpungere (V_BR) a circuitului integrat de declanșare de precizie, circuitul de acționare este activat, activând FET-ul care conduce energia tranzitorie (I_PP) la masă (Figura 1).

Figura 1: Într-un dispozitiv TDS, un circuit de declanșare de precizie (stânga) activează comutatorul controlat de tensiune FET (dreapta) atunci când este detectat un eveniment EOS, deviind vârful de energie (I_PP) direct la masă (Sursa imaginii: Semtech)

Pe măsură ce curentul de impuls crește spre I_PP, rezistența de pornire a FET-ului (R_DS(pornit)) devine de câțiva miliohmi (mΩ), iar tensiunea de fixare (V_C) are aproape aceeași valoare ca V_BR a circuitului de declanșare. Ca urmare, valoarea V_C a unui dispozitiv TDS este aproape constantă pe toată gama I_PP. Aceasta diferă de acțiunea de fixare într-un dispozitiv TVS, care este dată de:

Unde R_dyn este rezistența dinamică.

Într-un dispozitiv TVS, R_dyn este o valoare fixă, ceea ce face ca tensiunea de fixare să crească liniar odată cu creșterea I_PP în intervalul curentului nominal. Pentru un dispozitiv TDS, V_C este stabilă în intervalul de temperatură de funcționare, precum și în intervalul I_PP, rezultând o protecție EOS deterministă (Figura 2).

Figura 2: Tensiunea de fixare este constantă în funcție de temperatură și I_pp pentru un dispozitiv TDS, cum ar fi TDS2211P (linie continuă), oferind protecție EOS deterministă. (Sursa imaginii: Semtech)

V_C relativ scăzută a dispozitivelor TDS are ca rezultat solicitări mai mici asupra componentelor protejate și o fiabilitate îmbunătățită (Figura 3).

Figura 3: V_C scăzută (prezentată aici ca VClamp) a unui dispozitiv TDS (trasată cu verde) îmbunătățește fiabilitatea reducând solicitările asupra componentelor protejate. (Sursa imaginii: Semtech)

Performanța dispozitivelor TDS acceptă proiectarea sistemelor care îndeplinesc cerințele IEC 61000-4-2 pentru imunitatea ESD, IEC 61000-4-4 pentru imunitatea la impulsuri electrice tranzitorii rapide/în rafale (EFT) și IEC 61000-4-5 pentru imunitatea la supratensiuni. Acest lucru face ca dispozitivele TDS să poată fi utilizate într-o gamă largă de aplicații în medii dificile. Următoarele secțiuni prezintă exemple de aplicații TDS, inclusiv un dispozitiv TDS de 22 de volți pentru protecția comutatorului de sarcină, un dispozitiv TDS de 33 de volți potrivit pentru protecția emițătoarelor-receptoarelor IO-Link și un dispozitiv TDS de 58 de volți care poate fi utilizat pentru protecția instalațiilor PoE.

Protejarea comutatoarelor de sarcină

Comutatoarele de sarcină și intrările cu siguranțe electronice din echipamentele industriale, robotică, aparate de măsură de la distanță, dispozitive USB Power Delivery (PD) și IIoT pot fi protejate împotriva evenimentelor EOS cu ajutorul TDS2211P de 22 de volți. Gradele de protecție EOS ale acestui dispozitiv TDS includ:

• Tensiuni nominale de rezistență ESD de ±30 kilovolți (kV) pentru contact și aer, conform IEC 61000-4-2
• Curent nominal de impuls maxim de 40 amperi (A) (t_p = 8/20 microsecunde (μs)), conform IEC 61000-4-5 și ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; rezistență de șuntare (R_S) = 42 Ω), conform IEC 61000-4-5 pentru linii nesimetrice
• Tensiune de rezistență EFT de ±4 kV (100 kilohertzi (kHz) și 5 kHz, 5/50 nanosecunde (ns)), conform IEC 61000-4-4

Atunci când este utilizat în această configurație, dispozitivul TDS2211P protejează componentele din aval împotriva descărcărilor electrice, ESD-ului și a altor evenimente EOS și, de asemenea, menține V_C sub pragul de deteriorare al FET-ului de comutare din comutatorul de sarcină (Figura 4).

Figura 4: TDS2211P poate fi utilizat pentru a proteja un comutator de sarcină (HS2950P) și componentele din aval împotriva descărcărilor electrice, ESD-ului și a altor evenimente EOS. (Sursa imaginii: Semtech)

Protecție IO-Link

Pe lângă riscurile generale ESD și EOS întâlnite în mediile industriale, emițătoarele-receptoarele IO-Link pot experimenta vârfuri de tensiune de câteva mii de volți atunci când sunt conectate sau deconectate de la dispozitivul master IO-Link. Dioda TVS utilizată de obicei pentru a proteja emițătoarele-receptoarele IO-Link poate fi completată cu dispozitive TDS pentru o protecție îmbunătățită. O aplicație tipică de protecție a circuitelor utilizează dispozitive cu o putere nominală de cel puțin 115% din alimentarea de intrare, astfel încât pentru o aplicație de 24 de volți, cum ar fi IO-Link, este adecvat un dispozitiv de protecție de 33 de volți, cum ar fi TDS3311P TDS. Specificațiile-cheie ale modelului TDS3311P includ:

• Tensiune de rezistență ESD de ±30 kV pentru contact și aer, conform cerințelor IEC 61000-4-2
• Capacitate de curent de impuls maxim de 35 A (t_p = 8/20 μs) și 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), conform cerințelor IEC 61000-4-5 pentru liniile nesimetrice
• Îndeplinește cerințele IEC 61000-4-4 privind imunitatea la rafale/EFT

Există două configurații comune ale porturilor IO-Link, cu 3 și 4 pini, care necesită scheme de protecție ușor diferite. În ambele cazuri, dispozitivele TDS pot fi completate cu o diodă TVS µClamp3671P pe linia V_BUS (L+(24 volți)) pentru protecție împotriva polarității inverse (Figura 5).

Figura 5: Comparație a protecției ESD utilizând dispozitive TDS (dreptunghiuri verzi) pentru un port IO-Link cu 3 pini (sus) și un port IO-Link cu 4 pini (jos). (Sursa imaginii: Semtech)

În cazul unei implementări cu 3 pini, sunt necesare 3 dispozitive TDS. Dacă se dorește acest lucru, protecția bidirecțională poate fi asigurată de cele două TDS3311P așezate față în față. Atunci când se utilizează o configurație cu 4 pini, toți cei patru pini ai portului IO-Link trebuie să reziste atât la supratensiuni pozitive, cât și negative. Testarea pentru asigurarea performanței protecției împotriva supratensiunilor a emițătoarelor-receptoarelor IO-Link este necesară între toate perechile de pini de pe conector și trebuie efectuată la nivelurile cerute de IEC 61000-4-2 pentru ESD, IEC 61000-4-4 pentru rafale/EFT și IEC 61000-4-5 pentru supratensiuni.

Protecție pentru PoE

Schemele de protecție PoE trebuie să ia în considerare posibilitatea ca evenimentele EOS să fie de mod comun (în raport cu masa) sau diferențiale (de la linie la linie). PoE furnizează energie la 48 de volți, astfel încât un dispozitiv TDS de 58 de volți, cum ar fi TDS5801P, poate fi utilizat pentru a asigura protecția EOS pe partea conectorului RJ-45. Specificațiile pentru TDS5801P includ:

• Tensiune de rezistență: ±15 kilovolți (kV) (contact) și ±20 kV (aer) conform cerințelor IEC 61000-4-2
• Capacitate de curent de impuls maxim : 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) conform IEC 61000-4-5
• Tensiune de rezistență EFT de ±4 kV (100 kHz și 5 kHz, 5/50 ns), conform cerințelor IEC 61000-4-4

Alimentarea într-un sistem PoE se realizează prin intermediul conexiunilor de la priza mediană a transformatorului. Partea PD (RJ-45) trebuie să protejeze atât modul A (energie electrică furnizată prin intermediul perechilor de date 1 și 2 și 3 și 6), cât și modul B (pinii 4 și 5 și pinii 7 și 8 furnizează energie electrică), astfel încât sunt necesare două perechi de TDS5801P pentru protecție bidirecțională prin conexiunile de la priza mediană (Figura 6).

Figura 6: Dispozitivele TDS succesive (verde, TDS5801P) oferă protecție bidirecțională împotriva evenimentelor EOS într-un sistem PoE. (Sursa imaginii: Semtech)

Izolarea de mod comun este asigurată de transformator, dar nu protejează împotriva supratensiunilor diferențiale. În timpul unui eveniment EOS diferențial, înfășurările transformatorului de pe partea de linie sunt încărcate și energia este transferată pe partea secundară până la încetarea evenimentului de supratensiune sau la saturația transformatorului. Dispozitivele TDS de pe partea PD pot fi completate cu patru dispozitive de protecție ESD RClamp3361P situate pe partea stratului fizic Ethernet (PHY) al transformatorului pentru a proteja împotriva evenimentelor EOS diferențiale.

Dispozitive TDS

Sunt disponibile dispozitive SurgeSwitch TDS care oferă proiectanților un interval de tensiuni de funcționare, inclusiv 22 volți (TDS2211P), 30 volți (TDS3011P), 33 volți (TDS3311P), 40 volți (TDS4001P), 45 volți (TDS4501P) și 58 volți (TDS5801P) (Tabelul 1). Acestea îndeplinesc cerințele IEC 61000 pentru utilizarea în sisteme care funcționează în medii industriale și de telefonie 5G dure.

Tabelul 1: Dispozitivele SurgeSwitch sunt disponibile cu tensiuni nominale cuprinse între 22 și 58 de volți pentru o gamă largă de cerințe de aplicații. (Sursa imaginii: Semtech)

Deoarece dispozitivele TDS nu sunt disipative și deviază energia de supratensiune direct la masă printr-o cale de impedanță scăzută, acestea pot fi găzduite într-un pachet mic de 1,6 x 1,6 x 0,55 mm, care oferă economii semnificative de spațiu pe placă față de pachetele SMA și SMB, care sunt adesea utilizate pentru găzduirea altor dispozitive de protecție împotriva supratensiunii. Pachetul DFN cu 6 pini include trei pini de intrare și 3 pini pentru devierea energiei de supratensiune la masă (Figura 7).

Figura 7: Dispozitivele TDS vin într-un pachet DFN care măsoară 1,6 x 1,6 x 0,55 mm cu 6 conductoare (dreapta); pinii 1, 2 și 3 se conectează la masă, în timp ce pinii 4, 5 și 6 sunt intrarea de protecție EOS/ESD. (Sursa imaginii: Semtech)

Instrucțiuni privind configurația plăcii

Atunci când plasați un dispozitiv SurgeSwitch TDS pe o placă de circuite imprimate, toți pinii de masă (1, 2 și 3) trebuie să fie conectați la un singur traseu, iar toți pinii de intrare (4, 5 și 6) trebuie să fie conectați la un singur traseu pentru o capacitate maximă de curent de supratensiune. În cazul în care masa se află pe un strat diferit al plăcii de circuite imprimate, se recomandă în continuare utilizarea mai multor trasee pentru conectarea cu planul de masă (Figura 8). Respectarea acestor instrucțiuni privind configurația plăcii de circuite imprimate minimizează inductanțele parazite și optimizează performanța dispozitivului. În plus, dispozitivul SurgeSwitch TDS trebuie amplasat cât mai aproape posibil de conectorul sau de dispozitivul care trebuie protejat. Acest lucru reduce la minimum orice cuplare a energiei tranzitorii la traseele adiacente și este deosebit de important în timpul evenimentelor EOS cu timp de creștere rapid. Deoarece dispozitivele TDS nu disipă energie, nu este nevoie de o plăcuță termică sub dispozitiv pentru eliminarea energiei termice.

Figura 8: Pentru o performanță optimă, se recomandă conectarea cu mai multe trasee atunci când planul de masă se află pe un strat diferit al plăcii de circuite imprimate față de dispozitivul TDS. (Sursa imaginii: Semtech)

Concluzie

Proiectanții de echipamente industriale și de telefonie 5G care funcționează în medii dificile pot apela la dispozitivele TDS pentru a asigura o protecție fiabilă și deterministă împotriva evenimentelor ESD și EOS. V_C relativ scăzută a dispozitivelor TDS sporește fiabilitatea sistemului reducând solicitările asupra componentelor. Aceste dispozitive îndeplinesc cerințele în materie de protecție împotriva supratensiunilor tranzitorii ale IEC 61000 și sunt disponibile într-un interval de tensiuni cuprins între 22 și 58 de volți pentru a corespunde cerințelor aplicațiilor specifice. Dimensiunea lor compactă ajută la reducerea dimensiunii globale a soluției, dar proiectanții trebuie să respecte câteva cerințe simple privind configurația plăcii de circuite imprimate pentru a obține performanțe maxime de la dispozitivele TDS.

Lectură recomandată

1. Utilizarea conectorilor Ethernet robuști, de mare viteză, pentru rețelele de comunicații industriale
2. Cum să optimizați cu ușurință convertoarele c.a./c.c. pentru a îndeplini o gamă largă de cerințe EMC
3. De ce și cum se utilizează în mod eficient siguranțele electronice pentru protejarea circuitelor sensibile