ESD védelem javítása tranzienslevezetők használatával

Az ipar 4.0, az ipari dolgok internete (IIoT) és az 5G mobilhálózati technológia elterjedésével egyre kifinomultabb elektronikus eszközöket telepítenek egyre ellenségesebb és nehezebben hozzáférhető környezetekbe. Ez is hozzájárul azon igényhez, hogy megismételhető és determinisztikus védelmet kell biztosítani az elektrosztatikus kisülések (ESD) és az elektromos túlterhelések (EOS) ellen az ipari robotoknál, az IO-Link interfészeknél, az ipari érzékelőknél és IIoT-eszközöknél, a programozható logikai vezérlőknél (PLC-k), a Power over Ethernet (PoE) területén és más hasonló alkalmazásokban. Ezeknek az alkalmazásoknak meg kell felelniük az IEC 61000 szabvány szerinti túlfeszültség védelmi követelményeknek. Míg a múltban a tranziensfeszültség-elnyomó (TVS) diódák jól ki tudták szolgálni a tervezők igényeit, a korszerű alkalmazások egyre inkább determinisztikusabb, lineárisabb, kompaktabb és megbízhatóbb ESD- és EOS-védelmet igényelnek.

A működési teljesítményre és a méretformátumokra vonatkozó egyre fokozottabb igények kielégítésére a tervezők a tranzienslevezető (TDS) eszközökhöz fordulhatnak, amelyek a kiváló feszültségkorlátozást, a linearitást és a hőmérsékleti stabilitást egyesítik a nagyobb fokú teljesítmény elérése érdekében. Szemben a TVS-diódákkal, amelyek disszipálják a túlfeszültség energiáját, a TDS-eszközök azt a földbe vezetik, és mivel a TDS-eszközök nem disszipálják az energiát, ezért kisebbek lehetnek a TVS-alternatíváikhoz képest, ami lehetővé teszi a kisebb méretű megoldások megépítését. Ezenkívül a TDS-eszközök korlátozó feszültsége akár 30%-kal is kisebb lehet, mint a TVS-diódáké, ami csökkenti a rendszer terheltségi szintjét és javítja a megbízhatóságot.

Ez a cikk a TDS-eszközök működését ismerteti, valamint azt, hogy használatuk milyen előnyökkel jár a kulcsfontosságú alkalmazásokban. Ezután valós példákon keresztül bemutat néhány Semtech gyártmányú TDS-eszközt, valamint a sikeres alkalmazásukhoz szükséges NyÁK-tervezési irányelveket.

A TDS típusú túlfeszültség elleni védelem működése

A TDS-eszközök elsődleges védelmi eleme egy túlfeszültség elviselésére képes térvezérlésű tranzisztor (FET). Elektromos túlterhelés (EOS) bekövetkezésekor, amikor a lökőfeszültség túllépi az integrált precíziós trigger áramkör átütési feszültségét (V_BR) a vezérlő áramkör aktiválódik, bekapcsolva a FET-et, amely a tranziens energiáját (I_PP) a földbe vezeti (1. ábra).

1. ábra: Elektromos túlterhelés (EOS) észlelésekor a TDS-eszközökben egy precíziós trigger áramkör (balra) aktiválja a feszültségvezérelt kapcsoló FET-et (jobbra) közvetlenül a földbe vezetve a lökőfeszültség energiáját (I_PP) (kép: Semtech)

Ahogy az impulzusáram az I_PP értékéhez közelít, a FET vezetési ellenállása (R_DS(ON)) beáll néhány mΩ-ra, és a korlátozó feszültség (V_C) közel azonos értékű a trigger áramkör V_BR értékével. Ennek eredménye az, hogy a TDS-eszközök V_C értéke szinte állandó a teljes I_PP tartományban. Ez különbözik a TVS-eszközök által kifejtett korlátozó hatástól, amely a következő egyenlettel írható le:

Ahol R_dyn a dinamikus ellenállás.

A TVS-eszközöknél az R_dyn egy fix érték, aminek következtében a korlátozó feszültség lineárisan növekszik az I_PP növekedésével a névleges áramtartományon belül. A TDS-eszközöknél viszont a V_C értéke stabil az üzemi hőmérséklet-tartományon és az I_PP-tartományon belül, determinisztikus elektronikus túlterhelés elleni védelmet biztosítva ezzel (2. ábra).

2. ábra: A TDS-eszközöknél, mint például a TDS2211P-nél a korlátozó feszültség állandó a hőmérséklet- és az I_pp-tartományokban (folytonos vonal), ami determinisztikus elektromos túlterhelés elleni védelmet biztosít (kép: Semtech)

A TDS-eszközök viszonylag alacsony V_C-jének köszönhetően a védett alkatrészekre gyakorolt hatás kisebb és ez nagyobb megbízhatóságot eredményez (3. ábra).

3. ábra: A TDS-eszközök (zöld vonal) alacsony V_C-értéke (VClamp) javítja a megbízhatóságot, mivel csökkenti a védett alkatrészekre gyakorolt terhelő hatást. (kép: Semtech)

A TDS-eszközök viselkedésének köszönhetően olyan rendszerek tervezhetők, amelyek megfelelnek az elektrosztatikus kisülések tűrésére vonatkozó IEC 61000-4-2, a villamos tranziensek elleni védettségre vonatkozó IEC 61000-4-4-4 és a feszültség/áramimpulzus tűrésre vonatkozó IEC 61000-4-5 szabványok követelményeinek. Ez teszi őket alkalmassá arra, hogy számos különböző területen használhatók legyenek, még zord környezetekben is. A következő részekben TDS-eszközök alkalmazási példáit mutatunk be, beleértve egy terheléskapcsolók védelmére szolgáló 22 V-os TDS-eszközt, egy IO-Link adó-vevő védelmére alkalmas 33 V-os TDS-t és egy PoE berendezések védelmére használható 58 V-os TDS-t.

Terheléskapcsolók védelme

Az ipari berendezésekben, robotikában, távmérőkben, USB-s tápellátási (PD) és IIoT-eszközökben lévő terheléskapcsolók és elektronikus biztosítékok bemenetei a 22 V-os TDS2211P-vel védhetők az elektronikus túlterhelésektől (EOS eseményektől). Ezen TDS-eszköz névleges EOS-védelmi értékei többek között a következők:

• elektrosztatikus kisülés tűrése ±30 kV-ig mind érintés, mind levegő általi vezetés esetén az IEC 61000-4-2 szabványnak megfelelően;
• 40 A névleges impulzus csúcsáram (t_p = 8/20 μs) az IEC 61000-4-5 szerint, és ±1 kV feszültség (t_p = 1,2/50 μs; söntellenállás (R_S) = 42 Ω) az IEC 61000-4-5 nem szimmetrikus vonalakra vonatkozó előírásai szerint;
• villamos tranziensek elleni védettség ±4 kV-ig (100 kHz és 5 kHz, 5/50 ns) az IEC 61000-4-4 szerint.

Ebben a konfigurációban használva a TDS2211P megvédi az utána következő alkatrészeket a villámcsapástól, az elektrosztatikus kisülésektől és más elektronikus túlterhelési eseményektől, a V_C-t pedig a terheléskapcsolóban lévő kapcsoló FET károsodási küszöbértéke alatt tartja (4. ábra).

4. ábra: A TDS2211P eszközökkel terheléskapcsolók (HS2950P) és az utánuk következő komponensek védhetők meg villámcsapástól, elektrosztatikus kisülésektől és más elektronikus túlterhelési eseményektől (kép: Semtech)

IO-Link védelem

Az ipari környezetekben előforduló általános elektrosztatikus kisülési és túlterhelési veszélyeken túlmenően az IO-Link adó-vevők akár több ezer voltos feszültségtüskéket is kénytelenek elviselni az IO-Link masterekhez történő csatlakoztatásukkor vagy kihúzásukkor. Az IO-Link adó-vevők védelmére jellemzően használt TVS-dióda a védelem fokozása érdekében kiegészíthető TDS-eszközökkel. A tipikus áramkörvédelmi elrendezésekben a bemeneti tápellátás legalább 115%-ának megfelelő névleges értékű eszközöket szoktak használni, így egy 24 voltos alkalmazáshoz, mint az IO-Link, egy 33 voltos védelmi eszköz, mint amilyen a TDS3311P TDS megfelelő. A TDS3311P főbb műszaki jellemzői a következők:

• elektrosztatikus kisülés tűrése ±30 kV-ig mind érintés, mind levegő általi vezetés esetén az IEC 61000-4-2 szabványnak megfelelően;
• 35 A névleges impulzus csúcsáram (t_p = 8/20 μs) és 1 kV feszültség (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) az IEC 61000-4-5 nem szimmetrikus vonalakra vonatkozó előírásai szerint;
• megfelel a feszültség/áramimpulzus tűrési követelményeknek az IEC 61000-4-4 szabvány szerint.

Két gyakori IO-Link csatlakozó konfiguráció létezik, a 3 tűs és a 4 tűs, amelyek kissé eltérő védelmi kialakítást igényelnek. Mindkét esetben a TDS-eszközök kiegészíthetők a V_BUS (L+(24 V)) vonalra helyezett µClamp3671P TVS-diódával a fordított polaritás elleni védelemhez (5. ábra).

5. ábra: TDS-eszközökkel (zöld téglalapok) megvalósított ESD-védelem összehasonlítása egy 3 tűs (fent) és egy 4 tűs IO-Link csatlakozó (lent) esetében (kép: Semtech)

A 3 tűs megvalósítás esetén 3 TDS-eszközre van szükség. Kívánt esetben kétirányú védelem is biztosítható két egymással szemben elhelyezett TDS3311P-vel. Négytűs konfiguráció esetén az IO-Link csatlakozó mind a négy tűje esetében biztosítani kell a védelmet mind a pozitív, mind a negatív túlfeszültségekkel szemben. Az IO-Link adó-vevők csatlakozóinak minden tűpárját tesztelni kell a megfelelő túlfeszültség-tűrés ellenőrzéséhez, és azt az elektrosztatikus kisülésre vonatkozó IEC 61000-4-2, a villamos tranziensek elleni védettségre vonatkozó IEC 61000-4-4 és a feszültség/áramimpulzus tűrésre vonatkozó IEC 61000-4-5 szabványok által előírt szinteknek megfelelően kell elvégezni.

PoE védelem

A PoE védelmi rendszereknél azt a két lehetőséget kell figyelembe kell venni, hogy az elektronikus túlterhelési események lehetnek közös módusú (táp-föld) vagy differenciális (táp-táp) típusúak. A PoE rendszerek áramellátási feszültsége 48 V, így egy 58 voltos TDS-eszköz, például a TDS5801P megfelel az elektronikus túlterhelés elleni védelem biztosítására az RJ-45 csatlakozó felőli oldalon. A TDS5801P főbb műszaki jellemzői a következők:

• elektrosztatikus kisülés tűrése ±15 kV-ig (érintés esetén) és ±20 kV-ig (levegő általi vezetés esetén), az IEC 61000-4-2 szabványnak megfelelően;
• 20 A névleges impulzus csúcsáram (t_p = 8/20 μs), 1 kV feszültség (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) az IEC 61000-4-5 előírásai szerint;
• villamos tranziensek elleni védettség ±4 kV-ig (100 kHz és 5 kHz, 5/50 ns) az IEC 61000-4-4 szerint.

PoE-rendszereknél az áramellátás biztosítása a transzformátor középkivezetésén keresztül történik. A PD (RJ-45) oldalon mind az „A” mód (az 1. és 2., valamint a 3. és 6. vezetékpáron keresztül történő teljesítményátvitel), mind a „B” mód (a 4. és 5., valamint a 7. és 8. érintkezőkön keresztül történő teljesítményátvitel) esetén biztosítani kell a védelmet, ezért két pár TDS5801P-re van szükség a kétirányú védelemhez, amelyek a transzformátorok középkivezetéseihez csatlakoznak (6. ábra).

6. ábra: A fordított irányban kapcsolt TDS-eszközök (zöld, TDS5801P) kétirányú védelmet nyújtanak az elektronikus túlterhelések ellen egy PoE rendszerben (kép: Semtech)

A közös módusú impulzusok elleni leválasztást a transzformátor biztosítja, de nem véd a differenciális típusú túlfeszültségektől. Differenciális túlterhelési esemény (tápvonalak közötti átütés) során a transzformátor vonali oldali tekercsei kerülnek gerjesztés alá, és amíg a túlfeszültség véget nem ér, vagy a transzformátor nem telítődik az energia a szekunder oldalra vivődik át. A PD oldali TDS-eszközök kiegészíthetők négy RClamp3361P ESD-védelmi eszközzel, amelyek a transzformátor fizikai réteg (Ethernet PHY) oldalán helyezkednek el, a differenciális típusú túlterhelési események elleni védelemhez.

TDS-eszközök

A tervezők számára rendelkezésre állnak a SurgeSwitch TDS-eszközök, melyek többféle üzemi feszültséget kínálnak, többek között 22 voltos (TDS2211P), 30 voltos (TDS3011P), 33 voltos (TDS3311P), 40 voltos (TDS4001P), 45 voltos (TDS4501P) és 58 voltos (TDS5801P) változatban (1. táblázat). Megfelelnek az IEC 61000 szabvány követelményeinek így az 5G mobilhálózati és mostoha ipari környezetekben működő rendszerekben használhatók.

1. táblázat: A SurgeSwitch eszközök 22–58 V közötti névleges feszültségű változatokban kaphatók a különböző alkalmazási követelményeknek való megfeleléshez (kép: Semtech)

Mivel a TDS-eszközök nem disszipatív jellegűek, hanem a túlfeszültség energiáját alacsony impedanciás útvonalon keresztül vezetik közvetlenül a földbe, ezért kisméretű, 1,6 x 1,6 x 0,55 mm-es tokozásban is elhelyezhetők, ami jelentős helymegtakarítást jelent az áramköri lapon a más túlfeszültségvédelmi eszközök esetén gyakran használt SMA és SMB tokozásokhoz képest. A 6 tűs DFN-tokon három bemeneti kontaktus található, valamint további három a túlfeszültség energiájának a földbe való elvezetésére (7. ábra).

7. ábra: A TDS-eszközöket 1,6 x 1,6 x 0,55 mm méretű, 6 kivezetéses DFN-tokozásban gyártják (jobbra); az 1-es, 2-es és 3-as kontaktusok föld potenciálra csatlakoznak, míg a 4-es, 5-ös és 6-os bemeneti kontaktusok biztosítják az EOS/ESD elleni védelmet (kép: Semtech)

NyÁK tervezési szempontok

A SurgeSwitch TDS-eszközök nyomtatott áramköri lapon lévő elhelyezésekor az összes földelő kontaktust (1, 2 és 3) egyetlen azonos vezetősávra kell forrasztani, a bemeneti kontaktusok mindegyikét (4, 5 és 6) pedig szintén egy közös vezetősávra a maximális lökőáram-tűrési képesség eléréséhez. Ha a föld a nyomtatott áramköri lap egy másik rétegén van, akkor javasolt a földsíkkal való összeköttetést több vián keresztül megvalósítani (8. ábra). Ezen NyÁK tervezési irányelvek betartásával a parazita induktivitások minimalizálhatók és az eszközök optimális működése biztosítható. Ezenkívül a SurgeSwitch TDS-eszközöket a lehető legközelebb kell elhelyezni a védendő csatlakozóhoz vagy eszközhöz. Ez minimalizálja annak veszélyét, hogy a lökőfeszültség energiája induktív csatolás által egy szomszédos vezetősávára vivődjön át, és különösen fontos a gyors felfutási idejű túlterhelési események során. Mivel a TDS-eszközök nem disszipálják az energiát, nem szükséges hővezető alátétet helyezni az eszköz alá.

8. ábra: Az optimális működéshez több vián keresztüli csatlakoztatás ajánlott, ha a NyÁK földsíkja nem azonos a TDS-eszköz elhelyezésére használt réteggel (kép: Semtech)

Összegzés

A mostoha környezetekben történő működésre tervezett ipari és 5G mobilhálózati technológiás berendezések tervezői a TDS-eszközökhöz fordulhatnak, hogy megbízható és determinisztikus védelmet biztosítsanak az elektrosztatikus kisülések és elektronikus túlterhelések ellen. A TDS-eszközök viszonylag alacsony V_C értékének köszönhetően a rendszerek megbízhatósága nagyobb, mivel az alkatrészekre gyakorolt stresszhatás csökken. Ezek az eszközök megfelelnek az IEC 61000 szabvány szerinti túlfeszültség védelmi követelményeknek, és 22–58 V közötti névleges feszültségű változatokban kaphatók a különböző alkalmazási igények kielégítéséhez. Kompakt méretüknek köszönhetően hozzájárulnak a megoldások összméretének csökkentéséhez, de a tervezőknek figyelembe kell venniük néhány egyszerű NyÁK tervezési követelményt ahhoz, hogy a TDS-eszközök működését maximális mértékben kihasználhassák.

Ajánlott olvasnivaló

1. Nagy sebességű, robusztus Ethernet csatlakozók használata ipari kommunikációs hálózatokhoz
2. AC/DC átalakítók optimalizálása az elektromágneses összeférhetőségi követelmények széles körének való megfeleléshez
3. Elektronikus biztosítékok hatékony használata érzékeny áramkörök védelméhez