Hoe de ESD-bescherming te verbeteren met behulp van transient diverting suppressors

De verspreiding van Industrie 4.0, het industriële internet van dingen (IIoT) en 5G-telefonie heeft tot gevolg dat meer geavanceerde elektronische apparaten worden ingezet in ruigere en ontoegankelijkere omgevingen. Dit draagt bij tot de behoefte aan herhaalbare en deterministische bescherming tegen electrostatic discharge (ESD) en electrical overstress (EOS) in toepassingen zoals industriële robots, IO-Link-interfaces, industriële sensoren en IIoT-apparaten, programmeerbare logische controllers (PLC's) en Power over Ethernet (PoE). Deze toepassingen moeten voldoen aan de eisen inzake transiënte bescherming van IEC 61000. Hoewel transient voltage suppression (TVS) diodes ontwerpers goede diensten hebben bewezen, vereisen toepassingen steeds meer een nog meer deterministische, lineaire, compacte en betrouwbare ESD- en EOS-bescherming.

Om aan deze toenemende eisen inzake prestaties en vormfactor te voldoen, kunnen ontwerpers zich wenden tot TDS-apparaten (transient diverting suppressor) die superieure klemming, lineariteit en temperatuurstabiliteit combineren, voor een meer verzekerd prestatieniveau. In plaats van overspanningsenergie af te voeren zoals een TVS-diode, leidt een TDS-apparaat overspanningsenergie af naar de aarde. Aangezien zij de energie niet dissiperen, kunnen TDS-voorzieningen kleiner zijn dan TVS-alternatieven, wat bijdraagt tot kleinere oplossingen. Bovendien kan de klemspanning van TDS-apparaten 30% lager zijn dan die van TVS-diodes, waardoor de systeemspanning afneemt en de betrouwbaarheid toeneemt.

In dit artikel wordt beschreven hoe TDS-apparaten werken en welke voordelen zij bieden voor belangrijke toepassingen. Vervolgens worden een aantal voorbeelden van TDS-apparaten uit de praktijk van Semtech besproken, samen met richtlijnen voor de printplaatlay-out voor hun succesvolle toepassing.

Hoe TDS-overspanningsbeveiliging werkt

Een FET (Field Effect Transistor) met overspanningsbeveiliging is het belangrijkste beveiligingselement in een TDS-apparaat. Wanneer zich een EOS voordoet en de transiënte spanning de doorslagspanning (V_BR) van het geïntegreerde precisietriggercircuit overschrijdt, wordt het aandrijfcircuit geactiveerd, waardoor de FET wordt ingeschakeld die de transiënte energie (_IPP) naar de aarde geleidt (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In een TDS-apparaat activeert een precisietriggercircuit (links) de FET-spanningsgestuurde schakelaar (rechts) wanneer een EOS-gebeurtenis wordt gedetecteerd, waardoor de energiepiek (I_PP) rechtstreeks naar de aarde wordt afgeleid (beeldbron: Semtech)

Naarmate de pulsstroom stijgt in de richting van I_PP, wordt de FET-inschakelweerstand (R_DS(ON)) een paar milliohms (mΩ), en de klemspanning (V_C) heeft bijna dezelfde waarde als de V_BR van het triggercircuit. Als gevolg hiervan is de V_C van een TDS-apparaat over het gehele I_PP-bereik vrijwel constant. Dat verschilt van de klemmende werking in een TVS-apparaat, die wordt gegeven als:

Waarbij R_dyn de dynamische weerstand is.

In een TVS-apparaat is R_dyn een vaste waarde waardoor de klemspanning lineair toeneemt met de toename van I_PP over het nominale stroombereik. Voor een TDS-apparaat is V_C stabiel over het bedrijfstemperatuurbereik, evenals over het I_PP-bereik, hetgeen resulteert in deterministische EOS-bescherming (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De klemspanning is constant over de temperatuur en I_pp voor een TDS-apparaat, zoals de TDS2211P (ononderbroken lijn), en biedt deterministische EOS-bescherming. (Bron afbeelding: Semtech)

De relatief lage V_C van TDS-apparaten resulteert in lagere spanningen op de beschermde onderdelen en een betere betrouwbaarheid (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De lage V_C (hier weergegeven als VClamp) van een TDS-apparaat (groen spoor) verbetert de betrouwbaarheid door de spanning op de beschermde componenten te verminderen. (Bron afbeelding: Semtech)

De prestaties van TDS-apparatuur ondersteunen het ontwerp van systemen die voldoen aan de vereisten van IEC 61000-4-2 voor ESD-immuniteit, IEC 61000-4-4 voor burst/electrical fast transient (EFT) immuniteit, en IEC 61000-4-5 voor overspanningsimmuniteit. Dit maakt TDS-apparaten geschikt voor gebruik in een reeks toepassingen in veeleisende omgevingen. In de volgende paragrafen worden voorbeelden van TDS-toepassingen gegeven, waaronder een TDS-apparaat van 22 volt voor de beveiliging van lastschakelaars, een TDS-apparaat van 33 volt dat geschikt is voor de beveiliging van IO-Link-transceivers en een TDS-apparaat van 58 volt dat kan worden gebruikt om PoE-installaties te beveiligen.

Beveiliging van lastschakelaars

Lastschakelaars en e-zekeringsingangen in industriële apparatuur, robotica, afstandsmeters, USB Power Delivery (PD) en IIoT-apparaten kunnen worden beschermd tegen EOS-gebeurtenissen met behulp van de 22 volt TDS2211P. De EOS-beschermingsgraad van dit TDS-apparaat omvat:

• ESD weerstaat een spanning van ±30 kilovolts (kV) voor contact en lucht, volgens IEC 61000-4-2
• Piekstroomsterkte van 40 ampère (A) (t_p = 8/20 microseconden (μs)), volgens IEC 61000-4-5, en ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; shuntweerstand (R_S) = 42 Ω), volgens IEC 61000-4-5 voor onsymmetrische lijnen
• EFT weerstaat spanning van ±4 kV (100 kilohertz (kHz) en 5 kHz, 5/50 nanoseconden (ns)), volgens IEC 61000-4-4

In deze configuratie beschermt de TDS2211P stroomafwaartse componenten tegen blikseminslag, ESD en andere EOS-gebeurtenissen, en houdt hij ook V_C onder de schadedrempel van de schakelende FET in de lastschakelaar (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De TDS2211P kan worden gebruikt om een lastschakelaar (HS2950P) en stroomafwaartse componenten te beschermen tegen blikseminslag, ESD en andere EOS-gebeurtenissen. (Bron afbeelding: Semtech)

IO-Link-bescherming

Naast de algemene ESD- en EOS-gevaren die in industriële omgevingen voorkomen, kunnen IO-Link-zendontvangers spanningspieken van enkele duizenden volts ondervinden wanneer zij op het IO-Link-masterapparaat worden aangesloten of ervan worden losgekoppeld. De TVS-diode die gewoonlijk wordt gebruikt om IO-Link zendontvangers te beschermen, kan worden aangevuld met TDS-apparaten voor een betere bescherming. Een typische circuitbeveiligingstoepassing gebruikt apparaten die geschikt zijn voor minstens 115% van de ingangsvoeding, dus voor een 24 volt toepassing zoals IO-Link is een 33 volt beveiligingstoestel zoals de TDS3311P TDS geschikt. De belangrijkste specificaties van de TDS3311P zijn:

• ESD-bestendigheid van ±30 kV voor zowel contact als lucht, zoals vereist door IEC 61000-4-2
• Piekstroomvermogen van 35 A (t_p = 8/20 μs), en 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), zoals vereist door IEC 61000-4-5 voor onsymmetrische lijnen
• Voldoet aan IEC 61000-4-4 voor burst-/EFT-immuniteit

Er zijn twee veel voorkomende IO-Link-poortconfiguraties, 3 pins en 4 pins, die enigszins verschillende beveiligingsschema's vereisen. In beide gevallen kunnen de TDS-apparaten worden aangevuld met een µClamp3671P TVS-diode op de V_BUS-lijn (L+(24 volt)) voor bescherming tegen omgekeerde polariteit (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Vergelijking van de ESD-bescherming met behulp van TDS-apparaten (groene rechthoeken) voor een 3 pins IO-Link-poort (boven) en 4 pins IO-Link-poort (onder). (Bron afbeelding: Semtech)

In het geval van een 3-pins uitvoering zijn 3 TDS-apparaten nodig. Indien gewenst kan bidirectionele bescherming worden geboden door de twee TDS3311P's tegenover elkaar te plaatsen. Wanneer een 4-pins configuratie wordt gebruikt, moeten alle vier de pinnen van de IO-Link-poort bestand zijn tegen zowel positieve als negatieve spanningspieken. Tests om de overspanningsbeveiliging van IO-Link-zendontvangers te waarborgen, zijn nodig tussen alle pinnen op de connector en moeten worden uitgevoerd volgens de niveaus die worden vereist door IEC 61000-4-2 voor ESD, IEC 61000-4-4 voor burst/EFT, en IEC 61000-4-5 voor overspanningen.

Bescherming voor PoE

PoE beveiligingssystemen moeten rekening houden met de mogelijkheid dat EOS gebeurtenissen common mode (ten opzichte van aarde) of differentieel (lijn tot lijn) kunnen zijn. PoE levert stroom bij 48 volt, zodat een 58 volt TDS-apparaat zoals de TDS5801P kan worden gebruikt om EOS-bescherming te bieden aan de kant van de RJ-45-connector. De specificaties van de TDS5801P omvatten:

• ESD-bestendigheid tegen spanning: ±15 kilovolt (kV) (contact) en ±20 kV (lucht) zoals vereist voor IEC 61000-4-2
• Piekvermogen pulsstroom: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) volgens IEC 61000-4-5
• EFT weerstaat spanning van ±4 kV (100 kHz en 5 kHz, 5/50 ns) zoals vereist door IEC 61000-4-4

De stroom in een PoE systeem wordt geleverd via de middenaftakkingen op de transformator. De PD-zijde (RJ-45) moet zowel Mode A (stroomvoorziening via gegevensparen 1 & 2 en 3 & 6) als Mode B (pinnen 4 & 5 en pinnen 7 & 8 leveren stroom) beschermen, dus zijn er twee paar TDS5801P's nodig voor bidirectionele bescherming over de middenaftakkingen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Back-to-back TDS-apparaten (groen, TDS5801P) bieden bidirectionele bescherming tegen EOS-gebeurtenissen in een PoE-systeem. (Bron afbeelding: Semtech)

Common mode-isolatie wordt geleverd door de transformator, maar beschermt niet tegen differentiële pieken. Tijdens een differentiële EOS worden de transformatorwikkelingen aan de lijnzijde geladen en wordt energie overgebracht naar de secundaire zijde totdat de spanningspiek ophoudt of de transformator verzadigd raakt. De TDS-apparaten aan de PD-zijde kunnen worden aangevuld met vier RClamp3361P ESD-beschermingsvoorzieningen aan de Ethernet-fysieke laag (PHY)-zijde van de transformator ter bescherming tegen differentiële EOS-gebeurtenissen.

TDS-apparaten

Er zijn SurgeSwitch TDS-apparaten beschikbaar die ontwerpers een selectie van bedrijfsspanningen bieden, waaronder 22 volt (TDS2211P), 30 volt(TDS3011P), 33 volt (TDS3311P), 40 volt(TDS4001P), 45 volt(TDS4501P) en 58 volt (TDS5801P) (Tabel 1). Ze voldoen aan de eisen van IEC 61000 voor gebruik in systemen die werken in zware 5G-telefonie- en industriële omgevingen.

Tabel 1: SurgeSwitch-apparaten zijn verkrijgbaar met spanningswaarden van 22 tot 58 volt voor een reeks van toepassingsvereisten. (Bron afbeelding: Semtech)

Aangezien TDS-apparaten niet-dissipatief zijn en overspanningsenergie rechtstreeks naar de aarde afleiden via een pad met lage impedantie, kunnen ze worden ondergebracht in een kleine behuizing van 1,6 x 1,6 x 0,55 mm, wat aanzienlijke kartonbesparingen oplevert ten opzichte van de SMA- en SMB-pakketten die vaak worden gebruikt om andere overspanningsbeveiligingsapparaten onder te brengen. Het 6-pins DFN-pakket bevat drie ingangspennen en 3 pennen voor het afleiden van de piekenergie naar de aarde (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: TDS-apparaten worden geleverd in een DFN-pakket van 1,6 x 1,6 x 0,55 mm met 6 aansluitingen (rechts); de pennen 1, 2 en 3 zijn verbonden met aarde, terwijl de pennen 4, 5 en 6 de EOS / ESD-beschermingsingang vormen. (Bron afbeelding: Semtech)

Richtlijnen voor bordindeling

Bij het plaatsen van een SurgeSwitch TDS-apparaat op een bord moeten alle aardpennen (1, 2, en 3) op een enkel spoor worden aangesloten, en alle ingangspennen (4, 5, en 6) moeten op een enkel spoor worden aangesloten voor maximale piekstroomcapaciteit. Indien de massa zich op een andere laag van de printplaat bevindt, verdient het voorts aanbeveling meerdere vias te gebruiken voor de verbinding met het massavlak (Afbeelding 8). Het volgen van deze richtlijnen voor printplaatlay-out minimaliseert parasitaire inducties en optimaliseert de prestaties van het apparaat. Bovendien moet de SurgeSwitch TDS zo dicht mogelijk bij de te beveiligen connector of het te beveiligen apparaat worden geplaatst. Dit minimaliseert elke koppeling van transiënte energie naar aangrenzende sporen en is vooral belangrijk bij EOS-gebeurtenissen met een snelle stijgtijd. Aangezien TDS-apparaten geen energie afvoeren, is er geen thermisch kussen onder het apparaat nodig om de thermische energie af te voeren.

Afbeelding 8: Voor optimale prestaties wordt aansluiting met meerdere vias aanbevolen wanneer het massavlak zich op een andere laag van de printplaat bevindt dan het TDS-apparaat. (Bron afbeelding: Semtech)

Conclusie

Ontwerpers van industriële en 5G-telefonieapparatuur die in ruwe omgevingen werkt, kunnen een beroep doen op TDS-apparatuur om betrouwbare en deterministische bescherming te bieden tegen ESD- en EOS-gebeurtenissen. De relatief lage V_C van TDS-apparaten verhoogt de betrouwbaarheid van het systeem door de spanning op de componenten te verminderen. Deze apparaten voldoen aan de eisen inzake transiënte bescherming van IEC 61000 en zijn verkrijgbaar in een spanningsbereik van 22 tot 58 volt om te voldoen aan de eisen van specifieke toepassingen. Hun compacte afmetingen helpen om de totale omvang van oplossingen te beperken, maar ontwerpers moeten enkele eenvoudige bordvereisten in acht nemen om de maximale prestaties van TDS-apparaten te realiseren.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Ethernet-connectoren met hoge snelheid en robuustheid voor industriële communicatienetwerken
2. Hoe kunnen AC/DC-convertors eenvoudig worden geoptimaliseerd om te voldoen aan een breed scala van EMC-eisen?
3. Waarom en hoe elektronische zekeringen doeltreffend te gebruiken om gevoelige circuits te beschermen