Ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi z użyciem tłumików TDS

Aplikacje te muszą spełniać wymagania dotyczące ochrony przed stanami nieustalonymi wg normy IEC 61000. W wielu przypadkach do tego celu używa się diod TVS, które zapewniają podstawową ochronę, niemniej coraz częściej wymagane są jeszcze bardziej wydajne zabezpieczenia.

Aby sprostać tym rosnącym wymaganiom w zakresie skuteczności ochrony przy małej wielkości tłumika, projektanci mogą sięgnąć po elementy TDS (transient diverting suppressor), które zapewniają doskonałe obcinanie przepięć, liniowość i stabilność w szerokim zakresie temperatur. W odróżnieniu od diod TVS elementy te, zamiast rozpraszać energię udaru napięciowego w postaci ciepła, kierują energię do masy. Ponieważ nie rozpraszają energii, TDS-y mogą być mniejsze, a dodatkowo napięcie aktywacji może być ustawione na poziomie o 30% mniejszym niż w przypadku diod TVS, co zmniejsza przeciążenie systemu w czasie stanu nieustalonego i poprawia niezawodność.

W tym artykule opisano sposób działania urządzeń TDS oraz korzyści, jakie wnoszą do kluczowych aplikacji. Następnie przedstawia ono różne przykłady rzeczywistych urządzeń TDS firmy Semtech wraz z wytycznymi dotyczącymi układu płytki drukowanej dla ich pomyślnego zastosowania.

Jak działa ochrona przeciwprzepięciowa TDS?

Do ochrony wykorzystuje się tranzystor FET. Kiedy pojawi się przepięcie i chwilowe napięcie na elemencie przekroczy napięcie aktywacji (V_BR), obwód wyzwalający włącza FET, który kieruje energię impulsu i związany z nią prąd (I_PP) do masy (rys. 1).

W czasie aktywacji prąd impulsu związanego z przepięciem I_PP wzrasta, ale ponieważ rezystancja wewnętrzna tranzystora R_DS(ON) ma jedynie kilka mΩ, napięcie obcinania (V_C, clamping voltage) jest prawie takie samo jak potencjał aktywacji obwodu wyzwalającego V_BR. W rezultacie napięcie obcinania w TDS-ach jest prawie stałe w całym zakresie prądów roboczych I_PP. Jest to podstawowa różnica w stosunku do diod TVS, dla których napięcie obcinania zależy od dynamicznej rezystancji wewnętrznej i wynosi: V_C=V_BR+(I_PP·R_DYN).

 

Rys. 1. W elemencie ochronnym TDS precyzyjny obwód wyzwalający (po lewej) aktywuje przełącznik FET (po prawej) po wykryciu przepięcia, kierując energię wyładowania bezpośrednio do masy

 

Rys. 2. Napięcie obcinania w TDS2211P (linia ciągła) jest stałe w funkcji przewodzonego prądu i niezależnie od temperatury

W TVS-ach R_DYN przyjmuje stałą wartość powodującą liniowy wzrost napięcia obcinania wraz ze wzrostem prądu I_PP. W przypadku TDS V_C nie zmienia się w szerokim zakresie prądów i temperatur roboczych, co skutkuje lepszą ochroną przed EOS (rys. 2).

 

Rys. 3. Niskie napięcie obcinania w elementach TDS (VClamp, zielona krzywa) w porównaniu do zwykłej diody TVS o tym samym napięciu poprawia niezawodność urządzenia poprzez zmniejszenie stopnia przeciążenia obciążenia chronionych komponentów w czasie stanu nieustalonego

Napięcie obcinania w TDS jest dzięki temu znacznie mniejsze niż dla TVSów, co skutkuje mniejszymi narażeniami chronionych komponentów i lepszą niezawodnością (rys. 3).

Doskonałe parametry ochronne elementów TDS ułatwiają projektowanie systemów pod kątem spełniania wymagań normy IEC 61000-4-2 w zakresie odporności na wyładowania elektrostatyczne, IEC 61000-4-4 w zakresie odporności na impulsy i szybkie stany przejściowe (EFT) oraz normy IEC 61000-4-5 w zakresie odporności na przepięcia. W kolejnych akapitach przedstawiono przykłady zastosowań TDS-ów, w tym wersji 22-woltowej do ochrony przełącznika zasilania, 33-woltowej do ochrony transceivera IO-Link oraz 58-woltowego TDS-a, który można wykorzystać do ochrony instalacji PoE.

Ochrona przełączników zasilania

Przełączniki zasilania i wejścia bezpieczników elektronicznych w sprzęcie przemysłowym oraz IIoT, robotyce, zdalnych licznikach, urządzeniach USB Power Delivery (PD) można chronić przed przepięciami za pomocą 22-woltowego TDS2211P. Jego kluczowe parametry ochronne obejmują:

• wytrzymałość na ESD ±30 kV dla wyładowania kontaktowego i w powietrzu zgodnie z IEC 61000-4-2
• szczytowy prąd impulsowy 40 A (dla impulsu 8/20 μs zgodnego z normą IEC 61000-4-5 i ±1 kV (1,2/50 μs; rezystancja bocznika 42 Ω), zgodnie z IEC 61000-4-5 dla linii niesymetrycznych
• wytrzymałość napięciowa EFT ±4 kV (100 kHz i 5 kHz, 5/50 ns), zgodnie z IEC 61000-4-4.

 

Rys. 4.TDS2211P może służyć do ochrony przełącznika zasilania (HS2950P) i dalszych komponentów przed wyładowaniami atmosferycznymi, ESD i innymi stanami nieustalonymi

Oznacza to, że TDS2211P chroni podzespoły znajdujące się za nim przed wyładowaniami atmosferycznymi, wyładowaniami elektrostatycznymi i innymi stanami nieustalonymi zdarzeniami EOS, a także obcina przepięcia poniżej progu uszkodzenia przełączającego FET w przełączniku zasilania (rys. 4).

Ochrona dla IO-Link

Oprócz ogólnych zagrożeń elektrostatycznych i udarowych występujących w środowiskach przemysłowych, transceivery IO-Link mogą być narażone na skoki napięcia o wartości kilku tysięcy woltów, gdy są podłączane lub odłączane od hosta IO-Link. Dioda TVS, zwykle używana do ochrony tych transceiverów, może być uzupełniona o urządzenia TDS dla lepszej ochrony. Typowo do zabezpieczenia wykorzystuje się elementy o wartości znamionowej napięcia obcinania wynoszącego co najmniej 115% wejściowego napięcia zasilania, więc w przypadku aplikacji 24-woltowej, takiej jak IO-Link, odpowiednia jest wersja 33-woltowa, np. TDS3311P. Kluczowe parametry tego układu obejmują:

• tolerowane napięcie ESD ±30 kV dla wyładowania kontaktowego i powietrznego, zgodnie z wymaganiami IEC 61000-4-2,
• szczytowy prąd impulsowy 35 A (tp = 8/20 μs) i 1 kV (tp = 1,2/50 μs, RS = 42 Ω), zgodnie z wymaganiami normy IEC 61000-4-5 dla linii niesymetrycznych
• zgodność z IEC 61000-4-4 w zakresie odporności na impulsy burst/EFT.

Istnieją dwie popularne konfiguracje portów IO-Link, 3- i 4-pinowe, które wymagają nieco innych rozwiązań ochrony. W obu przypadkach można użyć TDS razem z diodą μClamp3671P TVS na linii V_BUS (L+24 V) w celu ochrony przed odwrotną polaryzacją (rys. 5).

 

Rys. 5. Porównanie zabezpieczeń antystatycznych przy użyciu TDS (zielone prostokąty) dla 3-pinowego portu IO-Link (po lewej) i 4-pinowego (po prawej)

W przypadku wersji 3-pinowej wymagane są 3 TDS-y. W razie potrzeby ochrona dwukierunkowa może być zapewniona przez dwa elementy połączone odwrotnie. W konfiguracji 4-pinowej wszystkie cztery kontakty portu IO-Link powinny wytrzymać zarówno dodatnie, jak i ujemne przepięcia, a testy skuteczności ochrony powinny być realizowane między wszystkimi parami pinów złącza i przeprowadzane na poziomach zdefiniowanych przez normy IEC 61000-4-2 dla ESD, IEC 61000-4-4 dla burst/EFT oraz IEC 61000-4-5 dla przepięć.

Ochrona PoE

Rozwiązania ochrony dla linii sygnałowych z zasilaniem PoE muszą uwzględniać sytuacje, że przepięcia mogą być w trybie wspólnym (w odniesieniu do masy) lub różnicowym (linia do linii). PoE dostarcza zasilanie o napięciu 48 woltów, więc 58-woltowy TDS5801P, nadaje się doskonale do ochrony przed przepięciem po stronie złącza RJ-45. Specyfikacja TDS5801P obejmuje:

• wytrzymałość na ESD: ±15 kV (dotykowo) i ±20 kV (powietrznie) zgodnie z wymaganiami IEC 61000-4-2
• szczytowy prąd impulsowy: 20 A (tp = 8/20 μs), 1 kV (tp = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) zgodnie z IEC 61000-4-5
• wytrzymałość EFT ±4 kV (100 kHz i 5 kHz, 5/50 ns) zgodnie z wymaganiami IEC 61000-4-4.

Zasilanie w systemie PoE jest dostarczane z wykorzystaniem odczepów w transformatorze sygnałowym. Strona PD (RJ-45) musi chronić zarówno tryb A (zasilanie dostarczane za pomocą par 1 i 2 oraz 3 i 6), jak i tryb B (piny 4 i 5 oraz 7 i 8 dostarczają zasilanie), stąd do ochrony są niezbędne dwie pary TDS5801P, jak pokazano na rysunku 6.

 

Rys. 6. Elementy ochronne TDS5801P (zielone) zapewniają dwukierunkową ochronę przed przepięciami w systemie PoE

W przypadku przepięcia różnicowego uzwojenia transformatora po stronie linii są połączone ze źródłem zaburzenia, a jego energia jest przekazywana do strony wtórnej do momentu ustania przepięcia lub nasycenia rdzenia transformatora. Dla ochrony w tym przypadku TDS po stronie PD można uzupełnić o cztery elementy zabezpieczające RClamp3361P ESD umieszczone po stronie PHY transformatora.

Dostępne wersje TDS

Omawiane elementy są dostępne w sprzedaży jako rodzina SurgeSwitch. Produkowane są na kilka typowych napięć roboczych: 22 V (TDS2211P), 30 V (TDS3011P), 33 V (TDS3311P), 40 V (TDS-4001P), 45 V (TDS4501P) i 58 V (TDS-5801P) – tabela 1. Wszystkie spełniają wymagania normy IEC 61000 do użytku w systemach pracujących w trudnych warunkach telefonii 5G i środowiskach przemysłowych.

Ponieważ TDS-y nie zamieniają energii przepięcia na ciepło, są dostępne w małych obudowach o wymiarach 1,6×1,6× 0,55 mm. Zapewnia to znaczne oszczędności miejsca na płytce drukowanej w porównaniu z typowymi SMA i SMB, które są najczęściej wykorzystywane w produkcji innych ochronników przeciwprzepięciowych. Obudowa 6-pinowa DFN zawiera trzy końcówki wejściowe i 3 piny do kierowania energii udarowej do masy (rys. 7).

 

Rys. 7. Ochronniki TDS są produkowane w obudowie DFN o wymiarach 1,6×1,6×0,55 mm z 6 wyprowadzeniami (po prawej); piny 1, 2 i 3 łączą się z masą, a 4, 5 i 6 to wejście zabezpieczające

Wytyczne dotyczące projektu PCB

 

Rys. 8. Gdy masa jest w innej płaszczyźnie niż wyprowadzenia TDS, w celu uzyskania najlepszej ochrony zalecane jest połączenie masy z użyciem wielu przelotek

Podczas umieszczania urządzenia SurgeSwitch TDS na płytce drukowanej wszystkie piny masy (1, 2 i 3) muszą być podłączone do jednej płaszczyzny, a wszystkie końcówki wejściowe (4, 5 i 6) do jednej ścieżki dla zapewnienia maksymalnej zdolności przejęcia prądu udarowego. Jeśli masa znajduje się na innej warstwie płytki drukowanej, zaleca się ponadto użycie wielu przelotek do połączenia z końcówkami TDS-a (rys. 8). Przestrzeganie tych wytycznych dotyczących układu płytki drukowanej minimalizuje indukcyjności pasożytnicze i optymalizuje zdolność ochrony. Ponadto SurgeSwitch TDS należy umieścić jak najbliżej złącza lub urządzenia, które ma być chronione. Minimalizuje to sprzężenie energii przejściowej z sąsiednimi ścieżkami i jest szczególnie ważne podczas przepięć o krótkim czasie narastania. Ponieważ TDS-y nie rozpraszają energii, nie ma potrzeby stosowania podkładki termicznej pod obudową w celu odprowadzania energii cieplnej.

Wniosek

Projektanci urządzeń przemysłowych i urządzeń telekomunikacyjnych mogą za pomocą elementów TDS zapewnić urządzeniom niezawodną i deterministyczną ochronę przed stanami nieustalonymi. Stosunkowo małe napięcie obcinania w tym przypadku zwiększa niezawodność systemu. Ochronniki spełniają wymogi ochrony normy IEC 61000 i są dostępne w zakresie napięć od 22 do 58 woltów. Ich niewielkie obudowy pomagają zmniejszyć zajętość miejsca na PCB.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/