Lepsze zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) za pomocą bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS)

Upowszechnienie przemysłu 4.0, przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) oraz telefonii 5G powoduje, że coraz bardziej zaawansowane urządzenia elektroniczne są wdrażane w trudniejszych i bardziej niedostępnych środowiskach. Przyczynia się to do konieczności zapewnienia powtarzalnej i deterministycznej ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) i przeciążeniami elektrycznymi (EOS) w takich zastosowaniach jak roboty przemysłowe, interfejsy IO-Link, czujniki przemysłowe i urządzenia IIoT, programowalne sterowniki logiczne (PLC) oraz zasilanie przez sieć Ethernet (PoE). Zastosowania te muszą spełniać wymagania dotyczące ochrony przed stanami nieustalonymi określone w normie IEC 61000. Chociaż diodowe ograniczniki przepięciowe (ochronniki TVS)) dobrze służyły projektantom, zastosowania coraz częściej wymagają jeszcze bardziej deterministycznej, liniowej, kompaktowej i niezawodnej ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi i przeciążeniami elektrycznymi (ESD/EOS).

Aby sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie parametrów działania i rozmiarów, projektanci mogą sięgnąć po bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS), które łączą w sobie doskonałe parametry napięcia progowego, liniowość i stabilność ze zmianami temperatury, zapewniając tym samym wyższy poziom parametrów działania. Zamiast rozpraszać energię udaru jak dioda TVS, bocznikujący ogranicznik stanów nieustalonych (TDS) kieruje energię udaru do uziemienia. Ponieważ bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS) nie rozpraszają energii, mogą być mniejsze w porównaniu z ochronnikami TVS, dzięki czemu całe rozwiązanie może być mniejsze. Ponadto napięcie progowe urządzeń TDS może być o 30% mniejsze niż diod TVS, co zmniejsza obciążenia układu i poprawia niezawodność.

W tym artykule opisano sposób działania urządzeń TDS i korzyści, jakie przynoszą one w kluczowych zastosowaniach. Dalej przedstawiono różne przykłady rzeczywistych bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS) firmy Semtech wraz ze wskazówkami dotyczącymi układu płytek drukowanych dla ich efektywnego stosowania.

Działanie ochrony przeciwprzepięciowej w postaci bocznikującego ogranicznika stanów nieustalonych (TDS)

Głównym elementem zabezpieczającym w urządzeniu TDS jest odporny na przepięcia tranzystor polowy (FET). Gdy wystąpi przeciążenie elektryczne (EOS) i napięcie w stanie nieustalonym przekroczy napięcie przebicia (V_BR) zintegrowanego precyzyjnego obwodu wyzwalającego, obwód sterujący zostaje aktywowany, włączając tranzystor FET, który przewodzi energię stanu nieustalonego (I_PP) do uziemienia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: W bocznikującym ograniczniku stanów nieustalonych (TDS) precyzyjny obwód wyzwalający (po lewej) aktywuje przełącznik sterowany napięciem FET (po prawej) w momencie wykrycia przeciążenia elektrycznego (EOS), kierując impuls energii (I_PP) bezpośrednio do ziemi (źródło ilustracji: Semtech)

W miarę wzrostu prądu impulsowego do wartości I_PP, rezystancja tranzystora FET w stanie włączenia (R_DS(ON)) przybiera wartość kilku miliomów (mΩ), a napięcie progowe (V_C) ma prawie taką samą wartość jak napięcie przebicia V_BR obwodu wyzwalającego. W rezultacie napięcie V_C urządzenia TDS jest prawie stałe w całym zakresie I_PP. Różni się to od działania progowego w ochronnikach TVS, które określa się jako:

Gdzie R_dyn jest rezystancją dynamiczną.

W ochronniku TVS R_dyn jest wartością stałą powodującą liniowy wzrost napięcia progowego wraz ze wzrostem I_PP w zakresie prądów znamionowych. W przypadku urządzenia TDS napięcie V_C jest stabilne w całym zakresie temperatur roboczych, jak również w zakresie I_PP, co skutkuje deterministyczną ochroną przed przeciążeniami elektrycznymi (EOS) (Ilustracja 2).

Ilustracja 2: napięcie progowe jest stałe ze zmianą temperatur i I_pp dla urządzenia TDS, takiego jak TDS2211P (linia ciągła), zapewniając deterministyczną ochronę przed przeciążeniami elektrycznymi (EOS). (Źródło ilustracji: Semtech)

Stosunkowo niskie napięcie V_C urządzeń TDS powoduje mniejsze obciążenia chronionych komponentów i poprawę niezawodności (ilustracja 3).

Ilustracja 3: niskie napięcie V_C (tutaj przedstawione jako VClamp) dla urządzenia TDS (zielona linia) poprawia niezawodność poprzez zmniejszenie obciążeń chronionych komponentów. (Źródło ilustracji: Semtech)

Parametry działania bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS) umożliwiają projektowanie systemów, które spełniają wymagania norm IEC 61000-4-2 w zakresie odporności na wyładowania elektrostatyczne (ESD), IEC 61000-4-4 w zakresie odporności na impulsy/szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT) oraz IEC 61000-4-5 w zakresie odporności udarowej. Dzięki temu urządzenia TDS mogą być używane w wielu zastosowaniach w trudnych warunkach. W kolejnych punktach przedstawiono przykłady zastosowań bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS), takich jak 22-woltowe urządzenie TDS do ochrony rozłącznika, 33-woltowe urządzenie TDS do ochrony nadajniko-odbiornika IO-Link oraz 58-woltowe urządzenie TDS, które może służyć do ochrony instalacji PoE.

Ochrona rozłączników

Rozłączniki i wejścia bezpieczników elektronicznych w urządzeniach przemysłowych, robotyce, zdalnych przyrządach pomiarowych, zasilaniu przez USB (PD) i w urządzeniach IIoT mogą być chronione przed przeciążeniami elektrycznymi (EOS) za pomocą 22-woltowego układu TDS2211P. Parametry ochrony przed przeciążeniami elektrycznymi (EOS) tego urządzenia TDS to między innymi:

• Znamionowa wytrzymałość napięciowa wyładowania elektrostatycznego (ESD) ±30kV, zarówno w przypadku kontaktu, jak i przeskoku przez powietrze, zgodnie z normą IEC 61000-4-2
• Znamionowy szczytowy prąd impulsowy 40A (t_p = 8/20μs), zgodnie z IEC 61000-4-5, oraz ±1kV (t_p = 1,2/50μs; rezystancja bocznikowa (R_S) = 42Ω), zgodnie z normą IEC 61000-4-5 dla linii niesymetrycznych
• Napięcie wytrzymywane w szybkich elektrycznych stanach przejściowych (EFT) ±4kV (100kHz i 5kHz, 5/50ns), zgodnie z normą IEC 61000-4-4

W tej konfiguracji układ TDS2211P chroni umieszczone za nim komponenty przed wyładowaniami atmosferycznymi, elektrostatycznymi (ESD) i innymi przeciążeniami elektrycznymi (EOS), a także utrzymuje napięcie V_C poniżej progu uszkodzenia tranzystora FET w rozłączniku (ilustracja 4).

Ilustracja 4: układu TDS2211P można użyć do ochrony rozłącznika (HS2950P) i dalszych komponentów przed wyładowaniami atmosferycznymi, elektrostatycznymi (ESD) i innymi przeciążeniami elektrycznymi (EOS). (Źródło ilustracji: Semtech)

Ochrona technologii IO-Link

Oprócz ogólnych zagrożeń związanych z wyładowaniami elektrostatycznymi i przeciążeniami elektrycznymi (ESD/EOS) występującymi w środowiskach przemysłowych, nadajniko-odbiorniki IO-Link mogą doświadczać skoków napięcia rzędu kilku tysięcy woltów w momencie podłączania lub odłączania od urządzenia nadrzędnego IO-Link. Dioda TVS zazwyczaj używana do ochrony nadajników-odbiorników IO-Link może być uzupełniona o bocznikujący ogranicznik stanów nieustalonych (TDS) w celu zapewnienia lepszej ochrony. W typowych zastosowaniach ochrony obwodów wykorzystuje się urządzenia o parametrach znamionowych co najmniej 115% zasilania wejściowego, więc dla zastosowania o napięciu 24V, takiego jak technologia IO-Link, odpowiednie jest urządzenie ochronne 33V, takie jak bocznikujący ogranicznik stanów nieustalonych TDS3311P. Najważniejsze specyfikacje układu TDS3311P:

• Napięcie wytrzymywane wyładowania elektrostatycznego (ESD) ±30kV, zarówno w przypadku kontaktu, jak i przeskoku przez powietrze, zgodnie z normą IEC 61000-4-2
• Wytrzymywany szczytowy prąd impulsowy 35A (t_p = 8/20μs) i napięcie 1kV (t_p = 1,2/50μs, R_S = 42Ω), zgodnie z wymaganiami normy IEC 61000-4-5 dla linii niesymetrycznych
• Spełnienie wymagań normy IEC 61000-4-4 w zakresie odporności na impulsy i szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT)

Istnieją dwie typowe konfiguracje portów IO-Link: 3-wtykowe i 4-wtykowe, które wymagają nieco innych schematów ochrony. W obu przypadkach bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS) można uzupełnić o diodę TVS µClamp3671P na linii V_BUS (L+(24V)) w celu zabezpieczenia przed odwrotną biegunowością (ilustracja 5).

Ilustracja 5: porównanie zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) przy użyciu bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS) (zielone prostokąty) dla 3-wtykowego portu IO-Link (u góry) i 4-wtykowego portu IO-Link (u dołu). (Źródło ilustracji: Semtech)

W przypadku implementacji 3-wtykowej wymagane są 3 urządzenia TDS. W razie potrzeby ochrona dwukierunkowa może być zapewniona przez przeciwstawne układy TDS3311P. W przypadku zastosowania konfiguracji 4-wtykowej wszystkie cztery wtyki portu IO-Link powinny wytrzymać udary zarówno dodatnie, jak i ujemne. Wymagane są próby zapewniające ochronę przeciwprzepięciową nadajniko-odbiorników IO-Link pomiędzy wszystkimi parami wtyków na złączu i powinny być wykonane na poziomach wymaganych przez normę IEC 61000-4-2 dla wyładowań elektrostatycznych (ESD), normę IEC 61000-4-4 dla impulsów i szybkich elektrycznych stanów przejściowych (EFT) oraz normę IEC 61000-4-5 dla udarów.

Ochrona dla zasilania przez Ethernet (PoE)

Schematy ochrony rozwiązań PoE muszą uwzględniać ewentualność, że przeciążenia elektryczne (EOS) mogą mieć charakter trybu wspólnego (w odniesieniu do uziemienia) lub różnicowego (między liniami). Technologia PoE dostarcza zasilanie o napięciu 48V, więc do zapewnienia ochrony EOS po stronie złącza RJ-45 może zostać użyty 58-woltowy bocznikujący ogranicznik stanów nieustalonych, taki jak TDS5801P. Specyfikacje urządzenia TDS5801P obejmują:

• Napięcie wytrzymywane wyładowania elektrostatycznego (ESD): ±15kV (kontaktowe) i ±20 kV (przeskok przez powietrze) zgodnie z wymogami normy IEC 61000-4-2
• Wytrzymywany szczytowy prąd impulsowy: 20A (t_p = 8/20μs), 1kV (t_p = 1,2/50μs, R_S = 42Ω) zgodnie z normą IEC 61000-4-5
• Napięcie wytrzymywane szybkich elektrycznych stanów przejściowych (EFT) ±4kV (100kHz i 5kHz, 5/50 ns) zgodnie z wymogami normy IEC 61000-4-4

Zasilanie w systemie PoE dostarczane jest za pomocą środkowych odczepów na transformatorze. Strona urządzenia zasilanego (PD), czyli złącza RJ-45, musi chronić zarówno tryb A (zasilanie dostarczane przez pary danych 1 i 2 oraz 3 i 6), jak i tryb B (zasilanie przez wtyki 4 i 5 oraz wtyki 7 i 8), więc wymagane są dwie pary urządzeń TDS5801P do dwukierunkowego zabezpieczenia odczepów środkowych (ilustracja 6).

Ilustracja 6: symetryczne urządzenia TDS (zielone, TDS5801P) zapewniają dwukierunkową ochronę przed przeciążeniami elektrycznymi (EOS) w układzie zasilania PoE. (Źródło ilustracji: Semtech)

Izolacja trybu wspólnego jest zapewniona przez transformator, ale nie chroni to przed udarami różnicowymi. Podczas różnicowych przeciążeń elektrycznych (EOS) uzwojenia transformatora po stronie linii są obciążone i energia jest przekazywana na stronę wtórną do momentu zakończenia przepięcia lub nasycenia się transformatora. Bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS) po stronie urządzenia zasilanego (PD) mogą być uzupełnione czterema urządzeniami zabezpieczającymi przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) RClamp3361P umieszczonymi po stronie warstwy fizycznej (PHY) sieci Ethernet w transformatorze w celu ochrony przed różnicowymi przeciążeniami elektrycznymi (EOS).

Bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS)

Dostępne bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS) SurgeSwitch, które oferują projektantom szereg napięć roboczych, w tym 22V (TDS2211P), 30V (TDS3011P), 33V (TDS3311P), 40V (TDS4001P), 45V (TDS4501P) i 58V (TDS5801P) (tabela 1). Spełniają one wymagania normy IEC 61000 w zakresie stosowania w systemach pracujących w trudnych warunkach telefonii 5G oraz w środowiskach przemysłowych.

Tabela 1: urządzenia SurgeSwitch są dostępne na napięcia znamionowe od 22 do 58V dla szeregu wymagań związanych z zastosowaniami. (Źródło ilustracji: Semtech)

Ponieważ bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS) nie mają charakteru rozpraszającego i kierują energię udaru bezpośrednio do ziemi poprzez ścieżkę o niskiej impedancji, można je umieszczać w małych obudowach o wymiarach 1,6 x 1,6 x 0,55mm, zapewniających znaczne oszczędności w stosunku do obudów SMA i SMB, które są często używane do umieszczania innych urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej. 6-wtykowa obudowa DFN posiada trzy wtyki wejściowe oraz 3 wtyki służące do przekierowania energii przepięcia do uziemienia (ilustracja 7).

Ilustracja 7: bocznikujące ograniczniki stanów nieustalonych (TDS) dostarczane są w obudowach DFN o wymiarach 1,6 x 1,6 x 0,55mm z 6 odprowadzeniami (po prawej). Wtyki 1, 2 i 3 łączą się z uziemieniem, natomiast wtyki 4, 5 i 6 są wejściem ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi i przeciążeniami elektrycznymi (EOS/ESD). (Źródło ilustracji: Semtech)

Wskazówki dotyczące układu płytki drukowanej

W przypadku umieszczania bocznikującego ogranicznika stanów nieustalonych (TDS) SurgeSwitch na płytce drukowanej wszystkie wtyki uziemienia (1, 2 i 3) muszą być podłączone do jednej ścieżki, tak samo wszystkie wtyki wejściowe (4, 5 i 6) muszą być podłączone do jednej ścieżki w celu zapewnienia maksymalnej wytrzymałości na prądy udarowe. Jeśli uziemienie znajduje się na innej warstwie płytki drukowanej, dodatkowo zaleca się użycie wielu przelotek w celu połączenia z płaszczyzną uziemienia (ilustracja 8). Postępowanie zgodnie z tymi wytycznymi dotyczącymi rozmieszczenia elementów na płytce drukowanej minimalizuje indukcyjności pasożytnicze i optymalizuje parametry działania urządzenia. Ponadto bocznikujący ogranicznik stanów nieustalonych (TDS) SurgeSwitch należy umieścić jak najbliżej złącza lub urządzenia, które ma być chronione. Minimalizuje to wszelkie sprzężenia energii stanów nieustalonych z sąsiednimi ścieżkami i jest szczególnie ważne podczas przeciążeń elektrycznych (EOS) o krótkim czasie narastania. Ponieważ urządzenia TDS nie rozpraszają energii, nie ma potrzeby stosowania pod nimi pól termicznych odprowadzających energię cieplną.

Ilustracja 8: aby zapewnić optymalne parametry działania, jeżeli płaszczyzna uziemienia znajduje się w innej warstwie płytki drukowanej niż urządzenie TDS, zaleca się połączenia z użyciem wielu przelotek. (Źródło ilustracji: Semtech)

Podsumowanie

Projektanci urządzeń przemysłowych i telefonii 5G działających w trudnych warunkach mogą skorzystać z bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS), aby zapewnić niezawodną i deterministyczną ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi i przeciążeniami elektrycznymi (ESD/EOS). Stosunkowo niskie napięcie V_C urządzeń TDS zwiększa niezawodność systemu poprzez zmniejszenie obciążeń komponentów. Urządzenia te spełniają wymagania dotyczące ochrony przed stanami nieustalonymi określone w normie IEC 61000 i są dostępne na napięcia w zakresie od 22 do 58V, odpowiednio do wymagań konkretnych aplikacji. Niewielkie rozmiary bocznikujących ograniczników stanów nieustalonych (TDS) pomagają ograniczyć całkowity rozmiar rozwiązania, jednak projektanci muszą przestrzegać kilku prostych wymagań dotyczących rozmieszczenia na płytce drukowanej, aby zapewnić ich optymalne działanie.

Rekomendowane artykuły

1. Zastosowanie szybkich, wytrzymałych złączy Ethernet w przemysłowych sieciach komunikacyjnych
2. Łatwa optymalizacja przetwornic prądu zmiennego na stały w celu spełnienia szerokiego zakresu wymagań dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej
3. Dlaczego i w jaki sposób skutecznie używać bezpieczników elektronicznych do ochrony obwodów wrażliwych