Hur man förbättrar ESD-skyddet med hjälp av överspänningsavledare

Spridningen av Industry 4.0, Industrial Internet of Things (IIoT) och 5G-telefoni leder till att allt mer sofistikerade elektroniska apparater används i tuffare och mer otillgängliga miljöer. Detta bidrar till behovet av repeterbart och deterministiskt skydd mot elektrostatiska urladdningar (ESD) och elektrisk överbelastning (EOS) i tillämpningar som industrirobotar, IO-Link-gränssnitt, industrigivare och IIoT-enheter, programmerbara logikkontrollenheter (PLC) och Power over Ethernet (PoE). Tillämpningarna måste uppfylla kraven på överspänningsskydd enligt IEC 61000. Dioder för överspänningsdämpning (transient voltage suppression) har varit till god hjälp för konstruktörer, men i allt högre grad kräver tillämpningar ett ännu mer deterministiskt, linjärt, kompakt och tillförlitligt skydd för elektrostatiska urladdningar och elektrisk överbelastning.

För att klara dessa ökande krav på prestanda och format kan konstruktörer använda sig av överspänningsavledare (transient diverting suppressor) som kombinerar överlägsna frånslagsspänningar, linjäritet och temperaturstabilitet för en säkrare prestandanivå. Istället för att avleda överspänningsenergi som en överspänningsdämpande diod leder en överspänningsavledare vidare överspänningsenergin till jord. Eftersom de inte förslösar energin kan överspänningsavledare vara mindre jämfört med överspänningsdämpare, vilket bidrar till mindre lösningsstorlekar. Överspänningsavledarnas frånslagsspänning kan dessutom vara 30 % lägre än överspänningsdämpande dioder, vilket minskar systemets påfrestning och förbättrar tillförlitligheten.

Artikeln beskriver hur överspänningsavledare fungerar och vilka fördelar de ger i viktiga tillämpningar. Därefter presenteras en rad exempel på verkliga överspänningsavledare från Semtech tillsammans med riktlinjer för kretskortslayouten för framgångsrik användning.

Hur överspänningsskydd med överspänningsavledare fungerar

En överspänningsskyddad fälteffekttransistor (FET) är det primära skyddselementet i en överspänningsavledare. När en elektrisk överbelastning inträffar och överspänningen överskrider genombrottsspänningen (V_BR) i den inbyggda precisionstriggerkretsen, aktiveras drivkretsen för att slå på FET:en som leder överspänningsenergin (I_PP) till jord (figur 1).

Figur 1: I en överspänningsavledare aktiverar en precisionstriggerkrets (vänster) den spänningskontrollerade FET-switchen (höger) när en överspänningshändelse upptäcks, för att leda energitoppen (I_PP) direkt ner till jord (bildkälla: Semtech).

När pulsströmmen stiger mot I_PP blir FET:ens tillslagsresistans (R_DS(ON)) några mΩ, och frånslagsspänningen (V_C) nästan lika stor som triggerkretsens V_BR. Därför är värdet V_C för en överspänningsavledare nästan konstant i hela I_PP-området. Detta skiljer sig från frånslagsåtgärden i en överspänningsdämpare som anges som:

Där R_dyn är den dynamiska resistansen.

I en överspänningsdämpare är R_dyn ett fast värde som gör att frånslagsspänningen ökar linjärt med ökningen av I_PP i det nominella strömområdet. För en överspänningsavledare är V_C stabil över driftstemperaturområdet, likväl som I_PP-området, vilket ger ett deterministiskt elektriskt överbelastningsskydd (figur 2).

Figur 2: Frånslagsspänningen är konstant i hela temperaturområdet och I_pp för en överspänningsavledare, som t.ex. TDS2211P (heldragen linje), vilket ger ett deterministiskt elektriskt överbelastningsskydd. (Bildkälla: Semtech)

Överspänningsavledarens relativt låga V_C-värde ger lägre belastning på de skyddade komponenterna och förbättrad tillförlitlighet (figur 3).

Figur 3: Överspänningsavledarens låga V_C (som här visas som VClamp) med ett grönt spår, förbättrar tillförlitligheten genom att minska påfrestningen på de skyddade komponenterna. (Bildkälla: Semtech)

Överspänningsavledarens prestanda stöder utformningen av system som uppfyller kraven i IEC 61000-4-2 för ESD-immunitet, IEC 61000-4-4-4 för störningsimmunitet/elektrisk snabb transient (EFT) och IEC 61000-4-5 för överspänningsimmunitet. Detta medför att överspänningsavledarna är lämpliga för en rad olika tillämpningar i tuffa miljöer. I följande avsnitt presenteras exempel på tillämpningar med överspänningsavledare, inklusive en överspänningsavledare på 22 V för skydd av lastomkopplare, en överspänningsavledare på 33 V som lämpar sig för skydd av IO-Link-transceivrar och en överspänningsdämpare på 58 V som kan användas för att skydda PoE-installationer.

Skydd av lastomkopplare

Lastomkopplare och ingångar för e-säkringar i industriell utrustning, robotteknik, fjärrmätare, USB Power Delivery (PD) och IIoT-enheter kan skyddas från överspänningar med hjälp av en TDS2211P på 22 V. Överspänningsskyddsklasserna för denna överspänningsavledare omfattar:

• ESD-spänningstålighet på ±30 kV för kontakt och luft, enligt IEC 61000-4-2.
• Pulserande toppströmmar på 40 A (t_p = 8/20 μs), enligt IEC 61000-4-5, och ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; shuntresistans (R_S) = 42 Ω), enligt IEC 61000-4-5 för osymmetriska ledningar.
• EFT-spänningstålighet på ±4 kV (100 kHz och 5 kHz, 5/50 ns), enligt IEC 61000-4-4-4.

När TDS2211P används i den här konfigurationen skyddar TDS2211P de bakomliggande komponenterna från blixtnedslag, ESD och andra överspänningar, och den håller även V_C under skadetröskeln för den switchande FET:en i lastomkopplaren (figur 4).

Figur 4: TDS2211P kan användas för att skydda en lastomkopplare (HS2950P) och bakomliggande komponenter från blixtnedslag, ESD och andra överspänningar. (Bildkälla: Semtech)

Skydd för IO-Link

Förutom de allmänna ESD- och överspänningsriskerna i industriella miljöer kan IO-Link-transceivrar utsättas för spänningstoppar på flera tusen volt när de ansluts till eller kopplas bort från IO-Link-masterheten. Den överspänningsdämpande diod som vanligtvis används för att skydda IO-Link-transceivrar kan kompletteras med överspänningsavledare för att förbättra skyddet. I en typisk tillämpning för kretsskydd används enheter som är dimensionerade för minst 115 % av inspänningen, så för en tillämpning med 24 V som IO-Link är ett skydd för 33 V som överspänningsavledaren TDS3311P lämplig. De viktigaste specifikationerna för TDS3311P inkluderar:

• ESD-resistans på ±30 kV för både kontakt och luft, enligt IEC 61000-4-2.
• Pulserande toppströmmar på 35 A (t_p = 8/20, och 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), som krävs av IEC 61000-4-5 för osymmetriska ledningar.
• Uppfyller IEC 61000-4-4 för störningsimmunitet/EFT-immunitet

Det finns två vanliga konfigurationer för IO-Link-portar, tre och fyra stift, som kräver något olika skyddssystem. I båda fallen kan överspänningsavledarna kompletteras med en överspänningsdämpande diod av typen µClamp3671P på V_BUS-ledningen (L+(24 V)) för skydd mot omvänd polaritet (figur 5).

Figur 5: Jämförelse av ESD-skydd med överspänningsavledare (gröna rektanglar) för en IO-Link-port med tre stift (överst) och en IO-Link-port med fyra stift (nederst). (Bildkälla: Semtech)

Vid en implementation med tre stift krävs tre överspänningsavledare. Om så önskas kan ett dubbelriktat skydd tillhandahållas genom att de två TDS3311P-kretsarna är vända mot varandra. När en konfiguration med fyra stift används måste alla de fyra stiften i IO-Link-porten tåla både positiva och negativa överspänningar. Testning för att säkerställa att IO-Link-transceivernas överspänningsskydd fungerar behövs mellan alla stiftpar på kontakten och bör utföras enligt de nivåer som krävs enligt IEC 61000-4-2 för ESD, IEC 61000-4-4-4 för burst/EFT och IEC 61000-4-5 för överspänningar.

Skydd för PoE

Skyddssystem för PoE måste ta hänsyn till möjligheten att överspänningar kan vara gemensamma (i förhållande till jord) eller differentiella (linje till linje). PoE ger 48 V, så en överspänningsavledare på 58 V som TDS5801P kan användas för att ge skydd mot elektriska överbelastningar på RJ-45-kontaktens sida. Specifikationerna för TDS5801P inkluderar:

• ESD-spänningstålighet på ±15 kV (kontakt) och ± 20 kV (luft) enligt kraven i IEC 61000-4-2.
• Pulserande toppströmmar på 20 A (t_p = 8/20, 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), enligt IEC 61000-4-5.
• EFT-spänningstålighet på ±4 kV (100 kHz and 5 kHz, 5/50 ns) enligt IEC 61000-4-4.

Strömmen i ett PoE-system levereras med hjälp av den mittersta anslutningen på transformatorn. PD-sidan (RJ-45) måste skydda både läge A (strömförsörjning via datapar 1 och 2 samt 3 och 6) och läge B (strömförsörjning via stift 4 och 5 samt stift 7 och 8), så det krävs två par TDS5801P för dubbelriktat skydd över de mittersta anslutningarna (figur 6).

Figur 6: Överspänningsavledare monterade rygg mot rygg (grön, TDS5801P) som ger ett dubbelriktat skydd mot överspänningar i ett PoE-system. (Bildkälla: Semtech)

Transformatorn hanterar Common Mode-isoleringen, men den skyddar inte mot differentiella överspänningar. Vid en differentiell överspänningshändelse, laddas transformatorlindningarna på primärsidan och energi överförs till sekundärsidan tills överspänningen upphör eller transformatorn blir mättad. Överspänningsavledarna på PD-sidan kan kompletteras med fyra RClamp3361P för ESD-skydd som är placerade i transformatorns Ethernet Physical Layer (PHY) för att skydda mot differentiella överspänningar.

Överspänningsavledare

Överspänningsavledarna SurgeSwitch förser konstruktörer med ett urval av driftsspänningar, inklusive 22 V (TDS2211P), 30 V (TDS3011P), 33 V (TDS3311P), 40 V (TDS4001P), 45 V (TDS4501P) och 58 V (TDS5801P) (tabell 1). De uppfyller kraven i IEC 61000 för användning i system som används i tuffa industrimiljöer eller tuffa miljöer för 5G-telefoni.

Tabell 1: SurgeSwitch-enheter finns med spänningsnivåer från 22 till 58 V för en rad olika tillämpningar. (Bildkälla: Semtech)

Eftersom överspänningsavledarna är icke-avledande och leder överspänningsenergin direkt till jord genom en väg med låg impedans kan de placeras i en liten kapsling på 1,6 x 1,6 x 0,55 mm, vilket ger betydande besparingar i förhållande till de SMA- och SMB-kapslingar som ofta används för att inrymma andra överspänningsskydd. DFN-kapslingen med sex stift inkluderar tre ingångsstift och tre stift för att avleda överspänningsenergin till jord (figur 7).

Figur 7: Överspänningsavledare som levereras i en DFN-kapsling med måtten 1,6 x 1,6 x 0,55 mm med sex stift (till höger); stift 1, 2 och 3 ansluts till jord, medan stift 4, 5 och 6 är överspännings-/ESD-skyddets ingång. (Bildkälla: Semtech)

Riktlinjer för kretskortets layout

När du placerar en SurgeSwitch-överspänningsavledare på ett kretskort måste alla jordstift (1, 2 och 3) anslutas till en enda bana och samtliga ingångsstift (4, 5 och 6) anslutas till en enda bana för att få maximal kapacitet för överspänningsström. Om jorden finns i ett annat lager av kretskortet rekommenderas flera genomgående hål för att ansluta jordplanet (figur 8). Genom att följa riktlinjerna för layout av kretskortet minimeras parasitära induktanser och enhetens prestanda optimeras. Överspänningsavledaren SurgeSwitch måste dessutom placeras så nära den switch eller enhet som ska skyddas som det är möjligt. Detta minimerar kopplingen av överspänningsenergi till intilliggande banor och är särskilt viktigt vid överspänningar med snabb stigningstid. Eftersom överspänningsavledaren inte avger någon energi behöver man inte ha någon termisk dyna under enheten för att leda bort värmeenergin.

Figur 8: För optimal prestanda rekommenderas en anslutning med flera genomgående hål till jordplanet om det finns på ett annat lager på kretskortet än överspänningsavledaren. (Bildkälla: Semtech)

Sammanfatttning

Konstruktörer av industriell utrustning och utrustning för 5G-telefoni som arbetar i tuffa miljöer kan använda sig av överspänningsavledare för att få ett tillförlitligt och deterministiskt skydd mot ESD och överspänningar. Överspänningsavledarnas relativt låga V_C-värde ökar systemets tillförlitlighet genom att minska påfrestningarna på komponenterna. Enheterna uppfyller kraven på transientskydd enligt IEC 61000 och finns i ett spänningsintervall från 22 till 58 V för att uppfylla kraven i specifika tillämpningar. Den kompakta storleken bidrar till att minska den totala lösningens storlek, men konstruktörer måste följa några enkla krav för kretskortets layout för att få ut maximal prestanda från överspänningsavledarna.

Rekommenderad läsning

1. Användning av robusta Ethernet-kontakter med hög hastighet för industriella kommunikationsnätverk
2. Hur man enkelt optimerar AC/DC-omvandlare för att uppfylla en stor mängd EMC-krav
3. Varför och hur man på ett effektivt sätt använder elektroniska säkringar för att skydda känsliga kretsar