Оглавление
Растущая важность Промышленного Интернета вещей (IIoT) и сетей 5G делает электронные устройства все более сложными, к тому же они работают во всё более сложных средах. Это требует надежной защиты от электростатического разряда (ESD) и перегрузки (EOS) в таких приложениях, как промышленные роботы, интерфейсы IO-Link, промышленные датчики и устройства IIoT, программируемые логические контроллеры и устройства PoE. Эти устройства должны соответствовать требованиям защиты от переходных процессов IEC 61000. Во многих случаях для этой цели используются TVS-диоды, которые обеспечивают базовую защиту, но требуется и более эффективная защита.
Чтобы удовлетворить эти возрастающие требования к эффективности защиты при небольшом размере, разработчики могут обратиться к элементам TDS (подавитель переходных процессов), которые обеспечивают превосходное ограничение перенапряжений, а их линейность и стабильность в широком диапазоне температур. В отличие от TVS-диодов, эти элементы вместо того чтобы рассеивать энергию скачка напряжения в виде тепла, направляют её в землю. Поскольку они не рассеивают энергию, TDS может быть меньше, а напряжение активации может быть установлено на 30% ниже, чем у TVS-диодов, что снижает перегрузку схемы во время переходных процессов и повышает надежность.
Давайте изучим как работают устройства TDS и какие преимущества они имеют. Затем рассмотрим различные примеры реальных устройств Semtech TDS, а также рекомендации по компоновке печатных плат для их успешного применения.
Как работает защита от перенапряжения TDS
Для защиты используется полевой транзистор. Когда происходит перенапряжение и мгновенное напряжение на компоненте превышает напряжение активации (V BR), триггерная схема включает полевой транзистор, который отводит энергию импульса и связанный с ним ток (I PP) на землю.
При активации импульсный ток перенапряжения IPP увеличивается, но поскольку внутреннее сопротивление транзистора RDS (ON) составляет всего несколько мОм, то напряжение фиксации (VC) практически такое же, как и потенциал активации цепи триггера VBR. В результате напряжение ограничения в TDS практически постоянно во всем диапазоне рабочих токов IPP. В этом заключается основное отличие от TVS-диодов, у которых напряжение ограничения зависит от динамического внутреннего сопротивления и составляет: Vс = V BR +(I PP х R DYN).
В TVS R DYN принимает постоянное значение, что приводит к линейному увеличению напряжения ограничения с увеличением тока IPP. В случае TDS Vс не меняется в широком диапазоне токов и рабочих температур, что обеспечивает лучшую защиту от EOS.
Таким образом, напряжение ограничения в TDS намного ниже, чем в TVS, что приводит к меньшему воздействию на защищаемые компоненты и повышению надежности.
Отличные защитные характеристики элементов TDS облегчают проектирование схем с точки зрения соответствия требованиям IEC 61000-4-2 по устойчивости к электростатическим разрядам, IEC 61000-4-4 по устойчивости к импульсам и быстрым переходным процессам (EFT) и IEC 61000.
Далее представлены примеры устройств TDS, включая версию на 22 В для защиты выключателя питания, версию на 33 В для защиты приемопередатчика IO-Link и TDS на 58 В, которую можно использовать для защиты установок PoE.
Защита выключателя питания
Выключатели питания и входы электронных предохранителей в промышленном оборудовании и оборудовании IIoT, робототехнике, дистанционных счетчиках, устройствах USB Power Delivery, можно защитить от скачков напряжения с помощью TDS2211P на 22 В. К его ключевым защитным параметрам относятся:
- Устойчивость к электростатическому разряду ±30 кВ при контакте и воздушном разряде согласно IEC 61000-4-2.
- пиковый импульсный ток 40 А (для импульса 8/20 мкс согласно IEC 61000-4-5 и ±1 кВ (1,2/50 мкс; сопротивление шунта 42 Ом), согласно IEC 61000-4-5 для несимметричных линий
- выдерживаемое напряжение EFT ±4 кВ (100 кГц и 5 кГц, 5/50 нс), в соответствии с IEC 61000-4-4.
Это означает, что TDS2211P защищает нисходящие компоненты от молний, электростатического разряда и других переходных процессов EOS, а также отсекает перенапряжения ниже порога неисправности переключающего полевого транзистора в силовом ключе.
Защита IO-Link
В дополнение к общим опасностям электростатического разряда и перенапряжения, возникающим в промышленных условиях, трансиверы IO-Link могут подвергаться скачкам напряжения в несколько тысяч вольт при подключении или отключении от хоста IO-Link. TVS-диод, обычно используемый для защиты этих трансиверов, может быть дополнен устройствами TDS для лучшей защиты. Обычно для защиты используются компоненты с номинальным напряжением ограничения не менее 115 % от входного напряжения питания, поэтому для 24-вольтового приложения, такого как IO-Link, подходит 33-вольтовая версия, например TDS3311P. К ключевым параметрам её относятся:
- допустимое напряжение электростатического разряда ±30 кВ для контакта и воздушного разряда, в соответствии с требованиями IEC 61000-4-2,
- пиковый импульсный ток 35 А (tp = 8/20 мкс) и 1 кВ (tp = 1,2/50 мкс, RS = 42 Ом), в соответствии с требованиями стандарта IEC 61000-4-5 для несимметричных линий.
Существует две распространенные конфигурации портов IO-Link: 3-контактная и 4-контактная, которые требуют несколько разных решений защиты. В обоих случаях вы можете использовать TDS вместе с TVS-диодом µClamp3671P на линии V BUS (L+24V) для защиты от обратной полярности.
Для 3-х контактной версии требуются 3 TDS. При необходимости двусторонняя защита может быть обеспечена двумя элементами, включенными инверсно. В 4-х контактной конфигурации все 4 контакта порта IO-Link должны выдерживать как положительные, так и отрицательные перенапряжения, а испытания эффективности защиты должны проводиться между всеми парами контактов разъема и выполняться на уровнях, определенных стандартами IEC 61000-4-2. для ESD, IEC 61000-4-4 для импульсов/EFT и IEC 61000-4-5 для перенапряжения.
PoE-защита
Решения по защите сигнальных линий с питанием по PoE должны учитывать, что перенапряжения могут быть синфазными (относительно земли) или дифференциальными (между линиями). PoE подает питание 48 В, поэтому TDS5801P на 58 В идеально подходит для защиты от перенапряжения на стороне разъема RJ-45. Спецификация TDS5801P включает в себя:
- Устойчивость к электростатическому разряду: ±15 кВ (контакт) и ±20 кВ (воздух) в соответствии с требованиями IEC 61000-4-2.
- пиковый импульсный ток: 20 А (tp = 8/20 мкс), 1 кВ (tp = 1,2/50 мкс, RS = 42 Ом) согласно IEC 61000-4-5
- Срок службы EFT ±4 кВ (100 кГц и 5 кГц, 5/50 нс) в соответствии с требованиями IEC 61000-4-4.
Питание в системе PoE подается с помощью отводов сигнального трансформатора. Сторона PD (RJ-45) должна защищать как режим A (питание подается через пары 1 и 2, 3 и 6), так и режим B (контакты 4, 5, 7 и 8 подают питание), поэтому для защиты пар необходимы два элемента как показано на рисунке ниже.
В случае дифференциального перенапряжения обмотки трансформатора со стороны сети подключаются к источнику помех, и его энергия передается на вторичную сторону до тех пор, пока перенапряжение не прекратится или сердечник трансформатора не насытится. Для защиты в этом случае TDS на стороне PD можно дополнить четырьмя элементами ESD защиты RClamp3361P, расположенными на стороне PHY трансформатора.
Доступны версии TDS
Эти компоненты коммерчески доступны как семейство SurgeSwitch. Они выпускаются на несколько типовых рабочих напряжений: 22 В (TDS2211P), 30 В (TDS3011P), 33 В (TDS3311P), 40 В (TDS-4001P), 45 В (TDS4501P) и 58 В (TDS-5801P). Все они соответствуют требованиям IEC 61000 для использования в схемах, работающих в суровых условиях телефонии 5G и промышленных.
Поскольку TDS не преобразуют энергию перенапряжения в тепло, они выпускаются в небольших корпусах размерами 1,6 х 1,6 х 0,55 мм. Это обеспечивает значительную экономию места на печатной плате по сравнению с типичными SMA и SMB, которые чаще всего используются при производстве других сетевых фильтров. 6-контактный корпус DFN содержит 3 входные клеммы и 3 контакта для направления энергии перенапряжения на землю.
Рекомендации по проектированию печатных плат
При размещении чипа на печатной плате, все контакты заземления (1, 2 и 3) должны быть подключены к общей земле, а все входные контакты (4, 5 и 6) — к одной дорожке для обеспечения максимальной допустимой нагрузки по импульсному току. Если земля находится на другом слое печатной платы, рекомендуется использовать несколько переходных отверстий для подключения к выводам TDS.
Следование этим рекомендациям по компоновке печатной платы сводит к минимуму паразитные индуктивности и оптимизирует возможности защиты. Кроме того, SurgeSwitch TDS следует размещать как можно ближе к защищаемому разъему или устройству. Это сводит к минимуму влияние переходной энергии на соседние пути и особенно важно при кратковременных перенапряжениях.
