Jak zlepšit ochranu proti ESD pomocí supresorů přechodového napětí

Rozšíření standardu Industry 4.0, průmyslového internetu věcí (IIoT) a 5G telefonie má za následek nasazování sofistikovanějších elektronických zařízení v drsnějších a nedostupnějších prostředích. To přispívá k potřebě opakovatelné a deterministické ochrany před elektrostatickým výbojem (ESD) a elektrickým přepětím (EOS) v aplikacích, jako jsou průmyslové roboty, rozhraní IO-Link, průmyslové senzory a zařízení IIoT, programovatelné logické řadiče (PLC) a napájení přes Ethernet (PoE). Tyto aplikace musí splňovat požadavky normy IEC 61000 na ochranu proti přechodovým napětím. Zatímco diody na potlačení přechodového napětí (TVS) konstruktérům dobře posloužily, aplikace stále více vyžadují ještě determinističtější, lineárnější, kompaktnější a spolehlivější ESD a EOS ochranu.

Aby se konstruktéři vypořádali s těmito rostoucími požadavky na výkon a tvarový faktor, mohou využívat součásti se supresorem přechodného napětí (TDS) kombinující vynikající upnutí, linearitu a teplotní stabilitu pro zajištění vyšší úrovně výkonu. Namísto rozptylování rázové energie jako tranzil (TVS) odvádí zařízení TDS rázovou energii do země. Vzhledem k tomu, že nerozptýlí energii, mohou být zařízení TDS menší ve srovnání s alternativami TVS, což přispívá k menší konstrukční velikosti. Kromě toho může být upínací napětí zařízení TDS o 30 % nižší než u tranzilů (TVS), což snižuje namáhání systému a zlepšuje spolehlivost.

Tento článek popisuje funkci zařízení TDS výhody, které přinášejí klíčovým aplikacím. Poté představuje celou řadu příkladů využití zařízení TDS od společnosti Semtech v reálné praxi společně s pokyny k rozložení desky plošných spojů pro jejich úspěšnou aplikaci.

Jak funguje přepěťová ochrana TDS

Primárním ochranným prvkem v zařízení TDS je přepěťový, polem řízený tranzistor (FET). Dojde-li k události EOS a přechodné napětí překročí průrazné napětí (V_BR) přesného spouštěcího integrovaného obvodu, aktivuje se budicí obvod a zapne tranzistor FET, který odvede přechodovou energii (I_PP) do země (obrázek 1).

Obrázek 1: Při detekci události EOS přesný spouštěcí obvod (vlevo) v zařízení TDS aktivuje spínač řízený napětím FET (vpravo), čímž bude energetická špička (I_PP) odvedena přímo do země. (Zdroj obrázku: Semtech)

Při nárůstu pulzního proudu směrem k hodnotě I_PP odpor tranzistoru FET v sepnutém stavu (R_DS(ON)) klesne na několik miliohmů (mΩ) a upínací napětí (V_C) má téměř stejnou hodnotu jako V_BR spouštěcího obvodu. V důsledku toho bude napětí V_C zařízení TDS je téměř konstantní v celém rozsahu I_PP. To se liší od upínací akce v zařízení TVS, která je vyjádřena vztahem:

Kde R_dyn je dynamický odpor.

V zařízení TVS R_dyn je pevná hodnota způsobující lineární nárůst upínacího napětí s nárůstem I_PP nad rozsah jmenovitého proudu. Pro zařízení TDS V_C je stabilní v rozsahu provozních teplot, stejně jako I_PP dosah, což vede k deterministické ochraně EOS (obrázek 2).

Obrázek 2: Upínací napětí je konstantní v celém rozsahu teploty a proudu I_pp na zařízení TDS, jakým je např. TDS2211P (plná čára), čímž poskytuje deterministickou ochranu EOS. (Zdroj obrázku: Semtech)

Relativně nízké napětí V_C TDS zařízení vede k nižšímu namáhání chráněných součástí a lepší spolehlivosti (obrázek 3).

Obrázek 3: Nízké upínací napětí V_C (zde zobrazeno jako VClamp) zařízení TDS (zelená stopa) zvyšuje spolehlivost snížením namáhání chráněných součástí. (Zdroj obrázku: Semtech)

Výkon zařízení TDS podporuje návrh systémů, které splňují požadavky norem IEC 61000-4-2 pro odolnost vůči ESD, IEC 61000-4-4 pro odolnost proti nárazu/elektrickému rychlému přechodu (EFT) a IEC 61000-4-5 pro odolnost proti přepětí . Díky tomu jsou zařízení TDS vhodná pro použití v celé řadě aplikací v náročných prostředích. Následující části představují příklady aplikací TDS včetně 22V zařízení TDS pro ochranu zátěžových spínačů, 33V zařízení TDS vhodného pro ochranu transceiveru IO-Link a 58V zařízení TDS, které lze použít k ochraně instalací PoE.

Ochranné spínače zátěže

Spínače zátěže a vstupy e-pojistek v průmyslových zařízeních, robotice, vzdálených měřičích, USB Power Delivery (PD) a zařízeních IIoT lze chránit před událostmi EOS pomocí 22V TDS2211P. Hodnocení ochrany EOS tohoto zařízení TDS zahrnuje:

• Izolační napětí ESD ±30 kilovoltů (kV) pro kontakt a vzduch podle normy IEC 61000-4-2
• Jmenovitý špičkový impulzní proud 40 A (t_p = 8/20 mikrosekund (μs)) podle normy IEC 61000-4-5 a ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; bočníkový odpor (R_S ) = 42 Ω) podle normy IEC 61000-4-5 pro nesymetrická vedení
• Izolační napětí EFT ±4 kV (100 kHz (kHz) a 5 kHz, 5/50 nanosekund (ns)) podle normy IEC 61000-4-4

Při použití v této konfiguraci model TDS2211P chrání následné komponenty před atmosférickým přepětím, ESD a dalšími událostmi EOS a udržuje též napětí V_C pod prahem poškození spínacího tranzistoru FET ve spínači zátěže (obrázek 4).

Obrázek 4: Model TDS2211P lze použít k ochraně spínače zátěže (HS2950P) a navazujících komponent před bleskem, elektrostatickými výboji (ESD) a dalšími událostmi EOS. (Zdroj obrázku: Semtech)

Ochrana IO-Link

Kromě obecných nebezpečí ESD a EOS, která se vyskytují v průmyslovém prostředí, mohou transceivery IO-Link zaznamenat napěťové špičky několika tisíc voltů, když jsou zapojeny nebo odpojeny od hlavního zařízení IO-Link. Transil (TVS) typicky používaný k ochraně IO-Link transceiverů může být rozšířen o TDS zařízení pro dosažení lepší ochrany. Typická aplikace ochrany obvodu používá zařízení dimenzovaná na alespoň 115 % vstupního napětí, takže pro 24V aplikace, jakými jsou IO-Link, je vhodné 33V ochranné zařízení, jakým je TDS3311P TDS. Klíčové specifikace TDS3311P zahrnují:

• Izolační napětí ESD ±30 kV pro kontakt i vzduch podle požadavků normy IEC 61000-4-2
• Schopnost špičkového pulzního proudu 35 A (t_p = 8/20 μs) a 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) podle požadavků normy IEC 61000-4-5 pro nesymetrická vedení
• Splňuje požadavky normy IEC 61000-4-4 pro odolnost proti burst/EFT

Existují dvě běžné konfigurace portů IO-Link, 3pinové a 4pinové, které vyžadují mírně odlišná schémata ochrany. V obou případech lze zařízení TDS rozšířit o transil uClamp3671P na vedení V_BUS (L+(24 V)) pro ochranu proti záměně polarity (obrázek 5).

Obrázek 5: Porovnání ochrany proti elektrostatickým výbojům (ESD) pomocí zařízení TDS (zelené obdélníky) pro 3pinový IO-Link port (nahoře) a 4pinový IO-Link port (dole). (Zdroj obrázku: Semtech)

V případě 3pinové implementace jsou zapotřebí 3 TDS zařízení. V případě potřeby lze zajistit obousměrnou ochranu dvěma součástkami TDS3311P proti sobě. Při použití 4pinové konfigurace by všechny čtyři piny portu IO-Link měly odolávat kladným i záporným rázům. Testování pro zajištění výkonu přepěťové ochrany transceiverů IO-Link je nutné mezi všemi páry kolíků na konektoru a mělo by být provedeno na úrovních podle požadavků normy IEC 61000-4-2 pro ESD, IEC 61000-4-4 pro burst/EFT a IEC 61000-4-5 pro přepětí.

Ochrana pro PoE

Schémata ochrany PoE musí vzít v úvahu možnost, že události EOS mohou nastat v soufázovém režimu (proti zemi) nebo v diferenciálním režimu (mezi vedeními). PoE dodává energii při napětí 48 V, takže 58V TDS zařízení jakým jeTDS5801P lze použít k zajištění ochrany EOS na straně konektoru RJ-45. Specifikace pro TDS5801P zahrnují:

• Izolační napětí ESD: ±15 kV (kV) (kontakt) a ±20 kV (vzduch) podle potřeby podle normy IEC 61000-4-2
• Možnost špičkového pulzního proudu: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) podle normy IEC 61000-4-5
• Izolační napětí EFT ±4 kV (100 kHz a 5 kHz, 5/50 ns) podle požadavků normy IEC 61000-4-4

Napájení v systému PoE je dodáváno pomocí středových odboček na transformátoru. Strana PD (RJ-45) musí chránit režim A (napájení dodávané pomocí datových párů 1 a 2 a 3 a 6) i režim B (piny 4 a 5 a 7 a 8 dodávají napájení), takže pro obousměrnou ochranu přes přípojky středových odboček (obrázek 6) jsou potřebné dva páry TDS5801P.

Obrázek 6: Zařízení TDS typu back-to-back (zelená, TDS5801P) poskytují obousměrnou ochranu před událostmi EOS v systému PoE. (Zdroj obrázku: Semtech)

Izolace v soufázovém režimu je zajištěna transformátorem, nechrání však před diferenciálními rázy. Během diferenciální události EOS se vinutí transformátoru na straně vedení nabíjí a energie se přenáší na sekundární stranu, dokud nepomine přepětí nebo nedojde k nasycení transformátoru. Zařízení TDS na straně PD lze doplnit o čtyři ochranná zařízení ESD RClamp3361P umístěná na straně fyzické vrstvy Ethernetu (PHY) transformátoru pro ochranu proti rozdílovým událostem EOS.

TDS zařízení

K dispozici jsou zařízení SurgeSwitch TDS, která konstruktérům nabízejí výběr provozních napětí z možností 22 V (TDS2211P), 30 V (TDS3011P), 33 V (TDS3311P), 40 V (TDS4001P), 45 V (TDS4501P) a 58 V (TDS5801P) (tabulka 1). Splňují požadavky normy IEC 61000 pro použití v systémech, které pracují v náročné 5G telefonii a průmyslových prostředích.

Tabulka 1: Zařízení SurgeSwitch jsou k dispozici s jmenovitým napětím od 22 do 58 V pro celou řadu požadavků aplikací. (Zdroj obrázku: Semtech)

Vzhledem k tomu, že zařízení TDS jsou nedisipativní a odvádějí rázovou energii přímo do země cestou s nízkou impedancí, mohou být umístěna v malém pouzdře 1,6 x 1,6 x 0,55 mm nabízejícím výrazné úspory desky oproti pouzdrům SMA a SMB, která se často používají k umístění dalších zařízení na ochranu proti přepětí. Pouzdro 6pin DFN obsahuje tři vstupní piny a 3 piny pro odvedení rázové energie do země (obrázek 7).

Obrázek 7: Zařízení TDS se dodávají v pouzdru DFN o rozměrech 1,6 x 1,6 x 0,55 mm se 6 vývody (vpravo); piny 1, 2 a 3 se připojují k zemi, zatímco piny 4, 5 a 6 jsou vstup ochrany proti EOS/ESD. (Zdroj obrázku: Semtech)

Pokyny pro uspořádání desky

Při umísťování zařízení SurgeSwitch TDS na desku plošných spojů musí být všechny zemnící piny (1, 2 a 3) jakož i všechny vstupní piny (4, 5 a 6) připojeny k jedné stopě pro zajištění maximální odolnosti proti rázovému proudu. Pokud je uzemnění na jiné vrstvě desky s plošnými spoji, dále se doporučuje použít pro spojení se zemnicí plochou vícenásobné prokovy (obrázek 8). Dodržování těchto pokynů pro rozložení desky plošných spojů minimalizuje parazitní indukčnosti a optimalizuje výkon zařízení. Zařízení SurgeSwitch TDS by navíc mělo být umístěno co nejblíže konektoru nebo zařízení, které má být chráněno. To minimalizuje jakoukoli vazbu přechodné energie na sousední stopy a je to zvláště důležité během událostí EOS s rychlým náběhem. Vzhledem k tomu, že zařízení TDS nerozptylují žádnou energii, není potřeba tepelná podložka pod zařízením k odvádění tepelné energie.

Obrázek 8: Pro optimální výkon se doporučuje připojení s více průchody, když je zemnící plocha na jiné vrstvě desky plošných spojů než zařízení TDS. (Zdroj obrázku: Semtech)

Závěr

Konstruktéři průmyslových a 5G telefonních zařízení provozovaných v náročných prostředích mohou využívat součásti TDS, aby zajistili spolehlivou a deterministickou ochranu před ESD a EOS událostmi. Relativně nízké napětí V_C zařízení TDS zvyšuje spolehlivost systému snížením namáhání součástí. Tato zařízení splňují požadavky na ochranu před přechodovými jevy podle IEC 61000 a jsou k dispozici v rozsahu napětí od 22 do 58 V, aby vyhovovaly požadavkům konkrétních aplikací. Jejich kompaktní velikost pomáhá zmenšit celkovou konstrukční velikost, konstruktéři však musejí dodržovat některé jednoduché požadavky na rozložení desek plošných spojů, aby dosáhli maximálního výkonu zařízení TDS.

Doporučeno k přečtení

1. Využití vysokorychlostních, odolných konektorů Ethernet pro průmyslové komunikační sítě
2. Jak snadno optimalizovat AC/DC měniče, aby splňovaly širokou škálu požadavků EMC
3. Proč a jak efektivně používat elektronické pojistky k ochraně citlivých obvodů