Miten parantaa ESD-suojausta TDS-vaimentimilla

Teollisuus 4.0:n, teollisen esineiden internetin (IIoT) ja 5G-puhelintekniikan yleistyminen johtaa siihen, että yhä kehittyneempiä elektronisia laitteita otetaan käyttöön entistä vaativammissa ja vaikeapääsyisemmissä ympäristöissä. Tämä lisää tarvetta toistettavaan ja deterministiseen suojaukseen sähköstaattiselta purkaukselta (ESD) ja sähköiseltä ylikuormitukselta (EOS) esimerkiksi teollisuusroboteissa, IO-Link-liitännöissä, teollisuusantureissa ja IIoT-laitteissa, ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (PLC) ja PoE-sovelluksissa (Power over Ethernet). Näiden sovellusten on täytettävä standardin IEC 61000 transienttisuojausvaatimukset. Vaikka TVS-diodit (Transient Voltage Suppression) ovat palvelleet suunnittelijoita hyvin, yhä useammat sovellukset vaativat entistä deterministisempää, lineaarisempaa, kompaktimpaa ja luotettavampaa ESD- ja EOS-suojausta.

Vastatakseen näihin kasvaviin suorituskyky- ja kokovaatimuksiin suunnittelijat voivat saavuttaa paremman suorituskyvyn kääntymällä TDS-laitteiden (Transient Diverting Suppressor) puoleen, joissa yhdistyvät parempi rajoitus, lineaarisuus ja lämpötilavakaus. TDS-laite ei haihduta jännitepiikin energiaa TVS-diodin tavoin, vaan se ohjaa energian maahan. Koska ne eivät haihduta energiaa, TDS-laitteet voivat olla pienempiä kuin TVS-vaihtoehdot. Tämä pienentää loppuratkaisun kokoa. Lisäksi TDS-laitteiden rajoitusjännite voi olla 30 % pienempi kuin TVS-diodien, mikä vähentää järjestelmän kuormitusta ja parantaa luotettavuutta.

Tässä artikkelissa kuvataan miten TDS-laitteet toimivat ja mitä etuja ne tuovat tärkeisiin sovelluksiin. Tämän jälkeen artikkelissa esitellään erilaisia reaalimaailman esimerkkejä TDS-laitteista yritykseltä Semtech sekä ohjeita piirilevyn layout-suunnitteluun, joiden avulla näiden komponenttien käytössä onnistutaan.

Miten TDS-jännitepiikkisuojaus toimii

Jännitepiikeille luokitettu FET-transistori (Field Effect Transistor) on TDS-laitteen tärkein suojauselementti. Kun transienttijännite EOS-tilanteessa ylittää integroidun liipaisu-tarkkuuspiirin läpilyöntijännitteen (V_BR), ohjauspiiri aktivoituu ja avaa FET-transistorin, joka johtaa transienttienergian (I_PP) maahan (kuva 1).

Kuva 1: Kun EOS-tilanne tunnistetaan, TDS-laitteen liipaisu-tarkkuuspiiri (vasemmalla) aktivoi jänniteohjatun kytkimen (FET, oikealla), mikä ohjaa energiapiikin (I_PP) suoraan maahan (kuvan lähde: Semtech)

Kun pulssivirta nousee kohti arvoa I_PP, FET-transistorin johtamisresistanssi (R_DS(ON)) muuttuu muutamaksi milliohmiksi (mΩ) ja rajoitusjännite (V_C) on lähes sama arvo kuin laukaisupiirin V_BR. Tämän ansiosta TDS-laitteen V_C on lähes muuttumaton koko I_PP-alueella. Tämä poikkeaa TVS-laitteen rajoitustavasta, joka noudattaa yhtälöä:

Jossa R_dyn on dynaaminen resistanssi.

TVS-laitteessa R_dyn on kiinteä arvo, mistä seuraa, että rajoitusjännite kasvaa lineaarisesti I_PP-virran kasvaessa virtaluokituksen mukaisella virta-alueella. TDS-laitteessa V_C pysyy stabiilina koko käyttölämpötila-alueen samoin kuin koko I_PP-virta-alueen, mikä tekee EOS-suojauksesta determinististä (kuva 2).

Kuva 2: TDS-laitteen, kuten TDS2211P, rajoitusjännite on vakio koko lämpötila- ja I_pp-alueella (yhtenäinen viiva), mikä tekee EOS-suojauksesta determinististä. (Kuvan lähde: Semtech)

TDS-laitteiden suhteellisen alhainen V_C vähentää suojattujen komponenttien kuormitusta ja parantaa luotettavuutta (kuva 3).

Kuva 3: TDS-laitteen alhainen V_C (näytetään vihreällä kuvaajalla, merkinnällä VClamp) parantaa luotettavuutta vähentämällä suojattujen komponenttien kuormitusta. (Kuvan lähde: Semtech)

TDS-laitteiden suorituskyky mahdollistaa sellaisten järjestelmien suunnittelun, jotka täyttävät IEC 61000-4-2 -standardin ESD-immuniteettivaatimukset, IEC 61000-4-4 -standardin purske/EFT (Electrical Fast Transient) -immuniteettivaatimukset sekä IEC 61000-4-5 -standardin jännitepiikki-immuniteettivaatimukset. Tämän ansiosta TDS-laitteet soveltuvat monenlaisiin sovelluksiin haastavissa ympäristöissä. Seuraavissa osissa esitellään seuraavat TDS-sovellusesimerkit: kuormakytkimen suojaus 22 voltin TDS-laitteella, IO-Link-lähetin-vastaanottimen suojaus 33 voltin TDS-laitteella sekä PoE-laitteiden suojaus 58 voltin TDS-laitteella.

Kuormakytkimien suojaus

Kuormakytkimiä ja e-sulaketta käyttäviä tuloja voidaan teollisuuslaitteissa, robotiikassa, etämittareissa, USB Power Delivery (PD) -teknologiassa ja IIoT-laitteissa suojata EOS-tilanteilta käyttämällä 22 voltin TDS2211P-komponenttia. Tämän TDS-laitteen EOS-suojausluokitukseen kuuluvat:

• ESD-kestojänniteluokitus ±30 kilovolttia (kV) kontaktille ja ilmalle, IEC 61000-4-2 -standardin mukaisesti
• Pulssivirran huippuarvo 40 ampeeria (A) (t_p = 8/20 mikrosekuntia (μs)), IEC 61000-4-5 -standardin mukaisesti, ja ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; shunttivastus (R_S) = 42 Ω), IEC 61000-4-5 -standardin mukaisesti epäsymmetrisille linjoille
• EFT-kestojännite ±4 kV (100 kilohertsiä (kHz) ja 5 kHz, 5/50 nanosekuntia (ns)), IEC 61000-4-4 -standardin mukaisesti

Tässä konfiguraatiossa käytettynä TDS2211P suojaa sitä seuraavia komponentteja salamalta sekä ESD- ja muilta EOS-tilanteilta sekä pitää myös V_C-jännitteen kuormakytkimessä käytettävän FET-kytkintransistorin vahingoittumiskynnyksen alapuolella (kuva 4).

Kuva 4: TDS2211P-piiriä voidaan käyttää kuormakytkimen (HS2950P) ja sitä seuraavien komponenttien suojaamiseen salamalta sekä ESD- ja muilta EOS-tilanteilta. (Kuvan lähde: Semtech)

IO-Link-suojaus

Teollisuusympäristöissä tavallisten ESD- ja EOS-vaarojen lisäksi IO-Link-lähetin-vastaanottimiin voi kohdistua useiden tuhansien volttien jännitepiikkejä, kun ne yhdistetään IO-Link-isäntälaitteeseen tai irrotetaan siitä. IO-Link-lähetin-vastaanottimia suojataan tyypillisesti TVS-diodilla. Tätä suojausta voidaan parantaa lisäämällä siihen TDS-laite. Tyypillisessä piirisuojauskäytössä laitteiden jänniteluokitus on vähintään 115 % tulojännitteestä, joten 24 voltin sovelluksessa, kuten IO-Link, voidaan käyttää 33 voltin suojauslaitetta, kuten TDS3311P TDS. TDS3311P-piirin tärkeimpiä ominaisuuksia ovat:

• ESD-kestojännite ±30 kV sekä kontaktille että ilmalle standardissa IEC 61000-4-2 vaaditulla tavalla
• Pulssivirran huippuarvo 35 A (t_p = 8/20 μs), ja 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), kuten standardissa IEC 61000-4-5 vaaditaan epäsymmetrisille linjoille
• Täyttää IEC 61000-4-4 -standardin purske/EFT-immuniteettivaatimukset

On kaksi yleistä IO-Link-porttikonfiguraatiota, 3 nastan ja 4 nastan konfiguraatiot, jotka vaativat hieman erilaiset suojaustavat. Molemmissa tapauksissa TDS-laitteiden lisäksi voidaan käyttää µClamp3671P TVS-diodia jännitteelle V_BUS (L+(24 volttia)) tarjoamaan suojaus käänteiseltä polariteetilta (kuva 5).

Kuva 5: Vertailussa ESD-suojaus käytettäessä TDS-laitteita (vihreät suorakulmiot) 3 nastan IO-Link-porttia (yläkuva) ja 4 nastan IO-Link-porttia (alakuva) varten. (Kuvan lähde: Semtech)

3 nastan toteutusta käytettäessä tarvitaan 3 TDS-laitetta. Kaksisuuntainen suojaus voidaan haluttaessa toteuttaa kahdella vastakkain asetetulla TDS3311P-piirillä. 4 nastan konfiguraatiota käytettäessä kaikkien IO-Link-portin neljän nastan tulisi kestää sekä positiiviset että negatiiviset jännitepiikit. IO-Link-lähetin-vastaanottimien jännitepiikkisuojauksen suorituskyky on testattava kaikkien liittimen nastaparien kesken ja vaadittavan tason tulisi olla seuraavien standardien mukainen: IEC 61000-4-2 ESD-immuniteetin suhteen, IEC 61000-4-4 purske/EFT-immuniteetin suhteen ja IEC 61000-4-5 jännitepiikki-immuniteetin suhteen.

PoE-suojaus

PoE-suojaustavoissa on otettava huomioon, että EOS-jännite voi syntyä maan tai toisen linjan suhteen. PoE käyttää virransyöttöön 48 voltin jännitettä, joten 58 voltin TDS-laitetta, kuten TDS5801P, voidaan käyttää tarjoamaan EOS-suojaus RJ-45-litinpuolelle. TDS5801P-piirin spesifikaatioon kuuluu:

• ESD-kestojännite: ±15 kilovolttia (kV) (kosketin) ja ±20kV (ilma), kuten IEC 61000-4-2 -standardin mukaan tarvitaan
• Pulssivirran huippuarvo: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) standardin IEC 61000-4-5 mukaisesti
• EFT-kestojännite ±4 kV (100 kHz ja 5 kHz, 5/50 ns) standardissa IEC 61000-4-4 vaaditulla tavalla

PoE-järjestelmän virransyötössä käytetään muuntajan keskioton liitintä. PD (RJ-45) -puolen on suojattava sekä tila A (virransyötössä käytetään datapareja 1 & 2 sekä 3 & 6) että tila B (nastat 4 & 5 ja nastat 7 & 8 syöttävät virtaa), joten kaksi TDS5801P-paria tarvitaan kaksisuuntaiseen suojaukseen keskioton liittimien välille (kuva 6).

Kuva 6: Vastakkain asennetut TDS-laitteet (vihreä, TDS5801P) tarjoavat kaksisuuntaisen suojauksen EOS-tilanteilta PoE-järjestelmässä. (Kuvan lähde: Semtech)

Muuntaja tarjoaa erotuksen maata vasten, mutta se ei suojaa differentiaalisilta jännitepiikeiltä. Differentiaalisessa EOS-tilanteessa muuntajan käämitykset verkkopuolella varautuvat ja energiaa siirtyy toisiopuolelle kunnes jännitepiikki katkeaa tai muuntaja saturoituu. PD-puolen TDS-laitteiden lisäksi voidaan käyttää neljää RClamp3361P ESD-suojalaitetta, jotka sijoitetaan muuntajan Ethernet PHY (physical layer) -puolelle suojaamaan differentiaalisilta EOS-tilanteilta.

TDS-laitteet

SurgeSwitch TDS -laitteet tarjoavat suunnittelijoille erilaisia käyttöjännitteitä, mm. 22 volttia (TDS2211P), 30 volttia (TDS3011P), 33 volttia (TDS3311P), 40 volttia (TDS4001P), 45 volttia (TDS4501P) ja 58 volttia (TDS5801P) (taulukko 1). Nämä täyttävät IEC 61000 -vaatimukset ja niitä voidaan käyttää järjestelmissä, jotka toimivat haastavissa 5G-puhelin- ja teollisuusympäristöissä.

Taulukko 1: SurgeSwitch-laitteita on saatavana jänniteluokituksilla 22 – 58 volttia ja ne sopivat mitä erilaisimpiin sovellusvaatimuksiin. (Kuvan lähde: Semtech)

Koska TDS-laitteet eivät haihduta energiaa vaan ne ohjaavat sen suoraan maahan impedanssiltaan alhaisen reitin kautta, ne voivat käyttää pientä 1,6 x 1,6 x 0,55 mm:n koteloa. Tämä tarjoaa merkittäviä tilasäästöjä muiden jännitepiikkisuojauslaitteiden SMA- ja SMB-koteloihin verrattuna. 6 nastan DFN-kotelo sisältää kolme tulonastaa ja 3 nastaa jännitepiikin energian ohjaamiseksi maahan (kuva 7).

Kuva 7: TDS-laitteet käyttävät DFN-koteloa, jonka mitat ovat 1,6 x 1,6 x 0,55 mm ja jossa on 6 nastaa (oikealla); nastat 1, 2 ja 3 kytketään maahan ja nastat 4, 5 ja 6 tarjoavat EOS/ESD-suojaustulot. (Kuvan lähde: Semtech)

Ohjeita piirilevyn layout-suunnitteluun

Kun SurgeSwitch TDS-laite sijoitetaan piirilevylle, kaikki maadoitusnastat (1, 2 ja 3) on kytkettävä yhteen ainoaan johtimeen, ja kaikki tulonastat (4, 5 ja 6) on kytkettävä yhteen ainoaan johtimeen virtapiikkikapasiteetin maksimoimiseksi. Jos maataso on piirilevyllä eri kerroksella, on lisäksi suositeltavaa käyttää useita läpivientejä maatason yhdistämiseen (kuva 8). Näiden ohjeiden noudattaminen piirilevyn layout-suunnittelussa minimoi parasiitti-induktanssit ja optimoi laitteen suorituskyvyn. SurgeSwitch TDS-laite tulisi lisäksi sijoittaa mahdollisimman lähelle suojattavaa liitintä tai laitetta. Tämä minimoi transienttienergian mahdollisen kytkeytymisen viereisiin johtimiin ja se on erityisen tärkeää EOS-tilanteiden nopeiden nousuaikojen aikana. Koska TDS-laitteet eivät haihduta energiaa, laitteen alle ei tarvitse sijoittaa jäähdytysaluetta lämpöenergian poisjohtamiseksi.

Kuva 8: Suorituskyvyn optimoimiseksi on suositeltavaa käyttää kytkemiseen useita läpivientejä, jos maataso on piirilevyllä eri kerroksessa kuin TDS-laite. (Kuvan lähde: Semtech)

Yhteenveto

Vaativissa olosuhteissa toimivien teollisuuslaitteiden ja 5G-puhelinlaitteiden suunnittelijat voivat käyttää TDS-laitteita tarjoamaan luotettava ja deterministinen ESD- ja EOS-suojaus. TDS-laitteiden suhteellisen alhainen V_C parantaa järjestelmän luotettavuutta vähentämällä komponenttien kuormitusta. Nämä laitteet täyttävät IEC 61000 -standardin transienttisuojausvaatimukset ja niitä on saatavana eri jännitteillä 22–58 volttia haluttujen sovellusvaatimusten mukaan. Näiden kompakti koko auttaa vähentämään kokonaisratkaisun kokoa, mutta suunnittelijoiden on noudatettava piirilevyn layout-suunnittelussa eräitä yksinkertaisia vaatimuksia TDS-laitteiden täyden suorituskyvyn hyödyntämiseksi.

Suositeltavaa luettavaa

1. Nopeiden ja kestävien Ethernet-liittimien käyttö teollisissa tiedonsiirtoverkoissa
2. How to Easily Optimize AC/DC Converters to Meet a Wide Range of EMC Requirements
3. Miksi ja miten elektronisilla sulakkeilla suojataan tehokkaasti herkkiä piirejä