|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 隨著(zhù)工業(yè) 4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和 5G 電話(huà)技術(shù)的普及，使得越來(lái)越多的更多復雜的電子設備部署在了更惡劣、更難進(jìn)入的環(huán)境中。這有助于在工業(yè)機器人、IO-Link 接口、工業(yè)傳感器和 IIoT 設備、可編程邏輯控制器 (PLC) 和以太網(wǎng)供電 (PoE) 等應用中進(jìn)行可重復的、確定性靜電放電 (ESD) 和電氣過(guò)應力 (EOS) 事件保護。這些應用需要滿(mǎn)足 IEC61000 標準的瞬態(tài)保護要求。雖然瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管能很好地滿(mǎn)足設計人員的要求，但越來(lái)越多的應用需要更確定、更線(xiàn)性、更緊湊和更可靠的 ESD 和 EOS 保護。 為了滿(mǎn)足這些不斷提高的性能和外形尺寸要求，可以采用瞬態(tài)分流抑制器 (TDS) 器件。這種器件同時(shí)具有卓越的箝位、線(xiàn)性和溫度穩定性，可獲得更有保證的性能水平。TDS 器件不像 TVS 二極管那樣耗散浪涌能量，而是將這種能量轉移到地。與 TVS 替代品相比，TDS 不會(huì )耗散能量，因此其尺寸可以更小，這有助于縮小解決方案尺寸。此外，TDS 器件的鉗位電壓會(huì )比 TVS 二極管低 30%，因此減少了系統的電氣應力，提高了可靠性。 本文將介紹 TDS 器件如何工作及其給關(guān)鍵應用帶來(lái)的好處。然后，以 Semtech 的 TDS 器件為例進(jìn)行介紹并給出成功應用這些器件的 PC 板布局指南。 TDS 浪涌保護器如何工作 浪涌級場(chǎng)效應晶體管 (FET) 是 TDS 器件中的主要保護元件。當發(fā)生 EOS 事件且瞬態(tài)電壓超過(guò)集成精密觸發(fā)器電路的擊穿電壓 (VBR) 時(shí)，驅動(dòng)電路被激活，場(chǎng)效應管導通，將瞬態(tài)能量 (IPP) 傳導至地（圖 1） 。 
圖 1：在 TDS 器件中，當檢測到 EOS 事件時(shí)，精密觸發(fā)器電路（左）會(huì )激活 FET 壓控開(kāi)關(guān)（右），將能量尖峰 (IPP) 直接轉移至地（圖片來(lái)源：Semtech） 。 隨著(zhù)脈沖電流增大至 IPP，FET 的導通電阻 (RDS(ON)) 變成幾個(gè)毫歐 (mΩ) ，鉗位電壓 (VC) 與觸發(fā)電路的 VBR 幾乎相同。因此，TDS 器件的 VC 在 IPP 范圍內幾乎是恒定的。這與 TVS 裝置中的箝位作用不同，后者已知：
其中 Rdyn 是動(dòng)態(tài)電阻。 在 TVS 設備中，Rdyn 值固定，使得箝位電壓在額定電流范圍內隨著(zhù) IPP 的增加而線(xiàn)性增加。對于 TDS 器件來(lái)說(shuō)，VC 在工作溫度以及 IPP 范圍內都是穩定的，從而實(shí)現了決定性的 EOS 保護（圖 2） 。
圖 2：對于如 TDS2211P（實(shí)線(xiàn)部分）之類(lèi) TDS 器件，鉗位電壓在溫度和 Ipp的范圍內保持恒定，從而提供確定的 EOS 保護。（圖片來(lái)源：Semtech） TDS 器件的 VC 相對較低，因此被保護器件不僅受到的電氣應力也較低，而且提高了可靠性（圖 3） 。
圖 3：TDS 器件的低 VC（此處用 VClamp 表示，綠色曲線(xiàn)）通過(guò)減小受保護器件所受的電氣應力來(lái)提高可靠性。（圖片來(lái)源：Semtech） TDS 器件的性能支持滿(mǎn)足多個(gè)標準要求的系統設計：IEC 61000-4-2 標準的 ESD 抗擾度要求、IEC 61000-4-4 標準的猝發(fā)/電氣快速瞬變 (EFT) 抗擾度要求，以及 IEC 61000-4-5 標準的浪涌抗擾度要求。這使得 TDS 器件適合許多惡劣環(huán)境下的應用。下文將介紹 TDS 的應用實(shí)例，包括用于保護負載開(kāi)關(guān)的 22 V TDS 器件、適合保護 IO-Link 收發(fā)器的 33 V TDS 器件，以及可用于保護 PoE 裝置的 58 V TDS 器件。 保護負載開(kāi)關(guān) 使用 22 V TDS2211P 可以保護工業(yè)設備、機器人、遠程儀表、USB 電力傳輸 (PD) 和 IIoT 設備中的負載開(kāi)關(guān)、電子保險絲輸入免受 EOS 事件的影響。該 TDS 器件的 EOS 保護等級包括： · 接觸和空氣的 ESD 耐受電壓等級為 ±30 kV，符合 IEC61000-4-2 標準要求 · 峰值脈沖的額定電流為 40 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 標準要求；±1kV（tp = 1.2/50 μs、分流電阻 (RS) = 42 Ω），符合 IEC 61000-4-5 標準要求，適用于非對稱(chēng)線(xiàn)路 · EFT 耐受電壓為 ±4 kV（100 kHz 和 5 kHz、5/50 ns），符合 IEC 61000-4-4 標準 當采用這種配置時(shí)，TDS2211P 可以保護下游器件免受雷擊、ESD 和其他 EOS 事件的影響，該器件還可保持 VC 低于負載開(kāi)關(guān)中開(kāi)關(guān) FET 的損壞閾值（圖 4） 。
圖 4：TDS2211P 可用于保護負載開(kāi)關(guān) (HS2950P) 和下游器件免受雷電、ESD 和其他 EOS 事件的影響。（圖片來(lái)源：Semtech） IO-Link 保護 除了在工業(yè)環(huán)境中發(fā)生的常見(jiàn) ESD 和 EOS 危險外，將 IO-Link 收發(fā)器插入 IO-Link 主設備或從這些設備上拔出時(shí)，可能會(huì )遇到數千伏的電壓尖峰。通常用于保護 IO-Link 收發(fā)器的 TVS 二極管可以用 TDS 器件來(lái)補充，以提升保護性能。在典型的電路保護應用中，所用器件的額定值至少為輸入電源的 115%，因此對于 IO-Link 之類(lèi)的 24 V 應用，選用像 TDS3311P TDS 這樣的 33 V 保護器件是合適的。TDS3311P 的主要規格如下： · 接觸和空氣的 ESD 耐受電壓為 ±30kV，符合 IEC61000-4-2 標準的要求 · 峰值脈沖電流能力為 35A (tp = 8/20 μs) ，以及 1 kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42Ω) ，符合 IEC61000-4-5 標準的非對稱(chēng)線(xiàn)路要求 · 符合 IEC61000-4-4 標準的猝發(fā)/EFT 抗擾度要求 有兩種常見(jiàn)的 IO-Link 端口配置，即 3 引腳和 4 引腳。這兩種配置需要稍有不同的保護方案。在這兩種情況下，TDS 器件可以在 VBUS (L+ (24V)) 線(xiàn)路上補充一個(gè) μClamp3671P TVS 二極管，以提供反極性保護（圖 5）。
圖 5：使用 TDS 器件（綠色矩形）針對 3 引腳 IO-Link 端口（頂部）和 4 引腳 IO-Link 端口（底部）的 ESD 保護的比較。（圖片來(lái)源：Semtech） 在 3 引腳情況下，需要 3 個(gè) TDS 器件。如需要，可以通過(guò)兩個(gè)面對面的 TDS3311P 來(lái)提供雙向保護。在 4 引腳情況下，IO-Link 端口的所有四個(gè)針腳應均能承受正負浪涌。連接器的每對引腳間都需要進(jìn)行測試，以確保 IO-Link 收發(fā)器的浪涌保護性能，并應按照 IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 猝發(fā)/EFT 和 IEC 61000-4-5 浪涌的要求水平進(jìn)行測試。 PoE 保護 PoE 保護方案必須考慮 EOS 事件可能是共模（相對于地）或差分（線(xiàn)對線(xiàn)）的情況。PoE 的供電電壓為 48 V，因此像 TDS5801P 這樣的 58 V TDS 器件可用于在 RJ-45 連接器一側提供 EOS 保護。TDS5801P 的規格如下： · ESD 耐受電壓：±15 kV（接觸）和 ±20 kV（空氣） ，符合 IEC61000-4-2 標準的要求 · 峰值脈沖電流能力：20A (tp = 8/20 μs) ，1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42 Ω) ，符合 IEC61000-4-5 標準的的要求 · 根據 IEC61000-4-4 的要求，EFT 耐受電壓為 ±4 kV（100 kHz 和 5 kHz、5/50 ns） PoE 系統中的電源是通過(guò)變壓器的中心抽頭連接來(lái)提供的。PD (RJ-45) 端必須同時(shí)保護模式 A（通過(guò)數據對 1 和 2、數據對 3 和 6 提供電源）和模式 B（通過(guò)引腳 4 和 引腳 5 以及引腳 7 和引腳 8 提供電源) ，因此需要兩對 TDS5801P 來(lái)實(shí)現跨中心抽頭連接的雙向保護（圖 6） 。
圖 6：背對背 TDS 器件（綠色，TDS5801P）在 PoE 系統中提供雙向保護，防止 EOS 事件。（圖片來(lái)源：Semtech） 變壓器提供了共模隔離，但不能提供差分浪涌保護。在差動(dòng) EOS 事件中，線(xiàn)路側的變壓器繞組被充電，能量轉移到二次側，直到浪涌結束或變壓器飽和。PD 側的 TDS 器件可以用位于變壓器的以太網(wǎng)物理層 (PHY) 側的四個(gè) RClamp3361P ESD 保護器件進(jìn)行補充，防止差分 EOS 事件。 TDS 器件 SurgeSwitch TDS 器件為設計人員提供了多種工作電壓選擇，包括 22 V (TDS2211P) 、30 V (TDS3011P) 、33 V (TDS3311P) 、40 V (TDS4001P) 、45 V (TDS4501P) 和 58 V (TDS5801P) （表 1） 。這些器件滿(mǎn)足 IEC61000 標準的要求，可用于那些在惡劣的 5G 電話(huà)和工業(yè)環(huán)境中運行的系統。
表 1：SurgeSwitch 器件的額定電壓為 22 V 至 58 V，可滿(mǎn)足許多應用要求。（圖片來(lái)源：Semtech） 由于 TDS 器件是非耗散性器件，而是通過(guò)低阻抗路徑將浪涌能量直接轉移到地面，因此可以采用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 的小型封裝中，相比其他浪涌保護器件通常采用的 SMA 和 SMB 封裝，可以顯著(zhù)節省電路板空間。具有 6 個(gè)引腳的 DFN 封裝包括 3 個(gè)輸入引腳和 3 個(gè)用于將浪涌能量轉移到地的引腳（圖 7） 。
圖 7：TDS 器件采用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 的 DFN 封裝，有 6 根引線(xiàn)（右）；1、2、3 號引腳接地，而 4、5、6 號引腳用作 EOS/ESD 保護輸入。（圖片來(lái)源：Semtech） 電路板布局指南 當在電路板上安裝 SurgeSwitch TDS 器件時(shí)，其所有接地引腳（1、2 和 3）都必須連接到同一印制線(xiàn)上，所有的輸入引腳（4、5 和 6）也必須連接到同一印制線(xiàn)，以獲得最大的浪涌電流能力。如果接地線(xiàn)位于電路板的不同層，強烈建議使用多個(gè)通孔與地平面連接（圖 8） 。按照這些 PC 板布局指南，可以最大限度地減少寄生電感并優(yōu)化器件性能。此外，SurgeSwitch TDS 器件應盡可能地靠近受保護的連接器或器件。這會(huì )把瞬時(shí)能量與印制線(xiàn)的耦合降至最低，這在快速上升時(shí)間 EOS 事件中尤其重要。由于 TDS 器件不會(huì )耗散任何能量，因此不需要在器件下方設置導熱墊來(lái)傳導熱能。
圖 8：當接地平面位于電路板的不同層時(shí)，為獲得最佳性能，建議采用多個(gè)通孔進(jìn)行連接。（圖片來(lái)源：Semtech） 結論 對于設計在惡劣環(huán)境下工作的工業(yè)和 5G 電話(huà)設備的設計人員來(lái)說(shuō)，可以采用 TDS 器件，以提供可靠、確定的 ESD 和 EOS 事件保護。TDS 器件的 VC 相對較低，通過(guò)減少元器件的電氣應力來(lái)提高系統可靠性。這些器件符合 IEC61000 標準的瞬態(tài)保護要求，并有 22 V 至 58 V 電壓范圍，可滿(mǎn)足特定應用的要求。TDS 器件體積小巧，有助于減少整體解決方案的尺寸，但設計人員需要遵循一些簡(jiǎn)單的 PC 板布局要求，以發(fā)揮 TDS 器件的最大性能。 |
