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使用TDS瞬態(tài)分流抑制器,實(shí)現(xiàn)可靠ESD和EOS保護(hù),完整攻略在此!

發(fā)布時(shí)間:2022-12-23 來源:得捷電子DigiKey,作者:Jeff Shepard 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和5G電話技術(shù)的普及,使得越來越多的更多復(fù)雜的電子設(shè)備部署在了更惡劣、更難進(jìn)入的環(huán)境中。這有助于在工業(yè)機(jī)器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器和IIoT設(shè)備、可編程邏輯控制器 (PLC) 和以太網(wǎng)供電 (PoE) 等應(yīng)用中進(jìn)行可重復(fù)的、確定性靜電放電 (ESD) 和電氣過應(yīng)力 (EOS) 事件保護(hù)。這些應(yīng)用需要滿足IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)保護(hù)要求。雖然瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管能很好地滿足設(shè)計(jì)人員的要求,但越來越多的應(yīng)用需要更確定、更線性、更緊湊和更可靠的ESD和EOS保護(hù)。


隨著工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和5G電話技術(shù)的普及,使得越來越多的更多復(fù)雜的電子設(shè)備部署在了更惡劣、更難進(jìn)入的環(huán)境中。這有助于在工業(yè)機(jī)器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器和IIoT設(shè)備、可編程邏輯控制器 (PLC) 和以太網(wǎng)供電 (PoE) 等應(yīng)用中進(jìn)行可重復(fù)的、確定性靜電放電 (ESD) 和電氣過應(yīng)力 (EOS) 事件保護(hù)。這些應(yīng)用需要滿足IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)保護(hù)要求。雖然瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管能很好地滿足設(shè)計(jì)人員的要求,但越來越多的應(yīng)用需要更確定、更線性、更緊湊和更可靠的ESD和EOS保護(hù)。


為了滿足這些不斷提高的性能和外形尺寸要求,可以采用瞬態(tài)分流抑制器 (TDS) 器件。這種器件同時(shí)具有卓越的箝位、線性和溫度穩(wěn)定性,可獲得更有保證的性能水平。TDS器件不像TVS二極管那樣耗散浪涌能量,而是將這種能量轉(zhuǎn)移到地。與TVS替代品相比,TDS不會耗散能量,因此其尺寸可以更小,這有助于縮小解決方案尺寸。此外,TDS器件的鉗位電壓會比TVS二極管低30%,因此減少了系統(tǒng)的電氣應(yīng)力,提高了可靠性。


本文將介紹TDS器件如何工作及其給關(guān)鍵應(yīng)用帶來的好處。然后,以Semtech的TDS器件為例進(jìn)行介紹并給出成功應(yīng)用這些器件的PCB布局指南。


TDS浪涌保護(hù)器如何工作

浪涌級場效應(yīng)晶體管 (FET) 是TDS器件中的主要保護(hù)元件。當(dāng)發(fā)生EOS事件且瞬態(tài)電壓超過集成精密觸發(fā)器電路的擊穿電壓 (VBR) 時(shí),驅(qū)動電路被激活,場效應(yīng)管導(dǎo)通,將瞬態(tài)能量 (IPP) 傳導(dǎo)至地(圖1) 。


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圖1:在TDS器件中,當(dāng)檢測到EOS事件時(shí),精密觸發(fā)器電路(左)會激活FET壓控開關(guān)(右),將能量尖峰 (IPP) 直接轉(zhuǎn)移至地(圖片來源:Semtech) 

隨著脈沖電流增大至IPP,F(xiàn)ET的導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 變成幾個(gè)毫歐 (mΩ) ,鉗位電壓 (VC) 與觸發(fā)電路的VBR幾乎相同。因此,TDS器件的VC在IPP范圍內(nèi)幾乎是恒定的。這與TVS裝置中的箝位作用不同,后者已知:


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其中Rdyn是動態(tài)電阻。


在TVS設(shè)備中,Rdyn 值固定,使得箝位電壓在額定電流范圍內(nèi)隨著IPP的增加而線性增加。對于TDS器件來說,VC 在工作溫度以及IPP范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的,從而實(shí)現(xiàn)了決定性的EOS保護(hù)(圖2) 。


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圖2:對于如TDS2211P(實(shí)線部分)之類TDS器件,鉗位電壓在溫度和Ipp的范圍內(nèi)保持恒定,從而提供確定的EOS保護(hù)。(圖片來源:Semtech)

TDS器件的VC相對較低,因此被保護(hù)器件不僅受到的電氣應(yīng)力也較低,而且提高了可靠性(圖3) 。


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圖3:TDS器件的低VC(此處用VClamp 表示,綠色曲線)通過減小受保護(hù)器件所受的電氣應(yīng)力來提高可靠性。(圖片來源:Semtech)


TDS器件的性能支持滿足多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì):IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的ESD抗擾度要求、IEC 61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的猝發(fā)/電氣快速瞬變 (EFT) 抗擾度要求,以及IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的浪涌抗擾度要求。這使得TDS器件適合許多惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。下文將介紹TDS的應(yīng)用實(shí)例,包括用于保護(hù)負(fù)載開關(guān)的22V TDS器件、適合保護(hù)IO-Link收發(fā)器的33V TDS器件,以及可用于保護(hù)PoE裝置的58 V TDS器件。


保護(hù)負(fù)載開關(guān)


使用22 V TDS2211P可以保護(hù)工業(yè)設(shè)備、機(jī)器人、遠(yuǎn)程儀表、USB電力傳輸 (PD) 和IIoT設(shè)備中的負(fù)載開關(guān)、電子保險(xiǎn)絲輸入免受EOS事件的影響。該TDS器件的EOS保護(hù)等級包括:


  • 接觸和空氣的ESD耐受電壓等級為±30kV,符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)要求
  • 峰值脈沖的額定電流為40A (tp = 8/20μs),符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)要求;±1kV(tp = 1.2/50μs、分流電阻 (RS) = 42Ω),符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)要求,適用于非對稱線路
  • EFT耐受電壓為±4 kV(100kHz和5kHz、5/50ns),符合IEC 61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)


當(dāng)采用這種配置時(shí),TDS2211P可以保護(hù)下游器件免受雷擊、ESD和其他EOS事件的影響,該器件還可保持VC低于負(fù)載開關(guān)中開關(guān)FET的損壞閾值(圖4) 。

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圖4:TDS2211P可用于保護(hù)負(fù)載開關(guān) (HS2950P) 和下游器件免受雷電、ESD和其他EOS事件的影響。(圖片來源:Semtech)


I0-Link保護(hù)


除了在工業(yè)環(huán)境中發(fā)生的常見ESD和EOS危險(xiǎn)外,將I0-Link收發(fā)器插入I0-Link主設(shè)備或從這些設(shè)備上拔出時(shí),可能會遇到數(shù)千伏的電壓尖峰。通常用于保護(hù)I0-Link收發(fā)器的TVS二極管可以用TDS器件來補(bǔ)充,以提升保護(hù)性能。在典型的電路保護(hù)應(yīng)用中,所用器件的額定值至少為輸入電源的115%,因此對于I0-Link之類的24V應(yīng)用,選用像TDS3311P TDS這樣的33V保護(hù)器件是合適的。TDS3311P的主要規(guī)格如下:


  • 接觸和空氣的ESD耐受電壓為±30kV,符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的要求

  • 峰值脈沖電流能力為35A (tp = 8/20 μs) ,以及1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42Ω) ,符合IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的非對稱線路要求

  • 符合IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的猝發(fā)/EFT抗擾度要求


有兩種常見的I0-Link端口配置,即3引腳和4引腳。這兩種配置需要稍有不同的保護(hù)方案。在這兩種情況下,TDS器件可以在VBUS (L+ (24V)) 線路上補(bǔ)充一個(gè) μClamp3671P TVS二極管,以提供反極性保護(hù)(圖5)。

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圖5:使用TDS器件(綠色矩形)針對3引腳I0-Link端口(頂部)和4引腳I0-Link端口(底部)的ESD保護(hù)的比較。(圖片來源:Semtech)

在3引腳情況下,需要3個(gè)TDS器件。如需要,可以通過兩個(gè)面對面的TDS3311P來提供雙向保護(hù)。在4引腳情況下,I0-Link端口的所有四個(gè)針腳應(yīng)均能承受正負(fù)浪涌。連接器的每對引腳間都需要進(jìn)行測試,以確保I0-Link收發(fā)器的浪涌保護(hù)性能,并應(yīng)按照IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4猝發(fā)/EFT和IEC 61000-4-5浪涌的要求水平進(jìn)行測試。


PoE保護(hù)


PoE保護(hù)方案必須考慮EOS事件可能是共模(相對于地)或差分(線對線)的情況。PoE的供電電壓為48V,因此像TDS5801P這樣的58V TDS器件可用于在RJ-45連接器一側(cè)提供EOS保護(hù)。TDS5801P的規(guī)格如下:


  • ESD耐受電壓:±15kV(接觸)和±20kV(空氣) ,符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的要求
  • 峰值脈沖電流能力:20A (tp = 8/20 μs) ,1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42 Ω) ,符合IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的的要求
  • 根據(jù)IEC61000-4-4的要求,EFT耐受電壓為±4kV(100kHz和5kHz、5/50ns)


PoE系統(tǒng)中的電源是通過變壓器的中心抽頭連接來提供的。PD (RJ-45) 端必須同時(shí)保護(hù)模式A(通過數(shù)據(jù)對1和2、數(shù)據(jù)對3和6提供電源)和模式B(通過引腳4和引腳5以及引腳7和引腳8提供電源) ,因此需要兩對TDS5801P來實(shí)現(xiàn)跨中心抽頭連接的雙向保護(hù)(圖6) 。


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圖6:背對背TDS器件(綠色,TDS5801P)在PoE系統(tǒng)中提供雙向保護(hù),防止EOS事件。(圖片來源:Semtech)

變壓器提供了共模隔離,但不能提供差分浪涌保護(hù)。在差動EOS事件中,線路側(cè)的變壓器繞組被充電,能量轉(zhuǎn)移到二次側(cè),直到浪涌結(jié)束或變壓器飽和。PD側(cè)的TDS器件可以用位于變壓器的以太網(wǎng)物理層 (PHY) 側(cè)的四個(gè)RClamp3361P ESD保護(hù)器件進(jìn)行補(bǔ)充,防止差分EOS事件。


TDS器件


SurgeSwitch TDS器件為設(shè)計(jì)人員提供了多種工作電壓選擇,包括22 V (TDS2211P) 、30V (TDS3011P) 、33V (TDS3311P) 、40V (TDS4001P) 、45V (TDS4501P) 和58V (TDS5801P) (表1) 。這些器件滿足 IEC61000 標(biāo)準(zhǔn)的要求,可用于那些在惡劣的5G電話和工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)。


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表1:SurgeSwitch器件的額定電壓為22V至58V,可滿足許多應(yīng)用要求。(圖片來源:Semtech)

由于TDS器件是非耗散性器件,而是通過低阻抗路徑將浪涌能量直接轉(zhuǎn)移到地面,因此可以采用1.6 x 1.6 x 0.55mm的小型封裝中,相比其他浪涌保護(hù)器件通常采用的SMA和SMB封裝,可以顯著節(jié)省電路板空間。具有6個(gè)引腳的DFN封裝包括3個(gè)輸入引腳和3個(gè)用于將浪涌能量轉(zhuǎn)移到地的引腳(圖7) 。


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圖7:TDS器件采用1.6 x 1.6 x 0.55mm的DFN封裝,有6根引線(右);1、2、3號引腳接地,而4、5、6號引腳用作EOS/ESD保護(hù)輸入。(圖片來源:Semtech)


電路板布局指南


當(dāng)在電路板上安裝SurgeSwitch TDS器件時(shí),其所有接地引腳(1、2和3)都必須連接到同一印制線上,所有的輸入引腳(4、5和6)也必須連接到同一印制線,以獲得最大的浪涌電流能力。如果接地線位于電路板的不同層,強(qiáng)烈建議使用多個(gè)通孔與地平面連接(圖8) 。按照這些PC板布局指南,可以最大限度地減少寄生電感并優(yōu)化器件性能。此外,SurgeSwitch TDS器件應(yīng)盡可能地靠近受保護(hù)的連接器或器件。這會把瞬時(shí)能量與印制線的耦合降至最低,這在快速上升時(shí)間EOS事件中尤其重要。由于TDS器件不會耗散任何能量,因此不需要在器件下方設(shè)置導(dǎo)熱墊來傳導(dǎo)熱能。


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圖8:當(dāng)接地平面位于電路板的不同層時(shí),為獲得最佳性能,建議采用多個(gè)通孔進(jìn)行連接。(圖片來源:Semtech)


本文小結(jié)

對于設(shè)計(jì)在惡劣環(huán)境下工作的工業(yè)和5G電話設(shè)備的設(shè)計(jì)人員來說,可以采用TDS器件,以提供可靠、確定的ESD和EOS事件保護(hù)。TDS器件的VC相對較低,通過減少元器件的電氣應(yīng)力來提高系統(tǒng)可靠性。這些器件符合IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)保護(hù)要求,并有22V至58V電壓范圍,可滿足特定應(yīng)用的要求。TDS器件體積小巧,有助于減少整體解決方案的尺寸,但設(shè)計(jì)人員需要遵循一些簡單的PC板布局要求,以發(fā)揮TDS器件的最大性能。


(來源:得捷電子DigiKey,作者:Jeff Shepard)


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