使用@@TDS瞬态分流抑制器@@，实现可靠@@ESD和@@EOS保护@@，完整攻略在@@此@@！

judy -- 周五@@, 12/23/2022 - 11:03

作者@@：Jeff Shepard，来源@@：得捷电子@@@@DigiKey

随着工业@@4.0、工业物联网@@@@ (IIoT) 和@@5G电话技术@@的@@普及@@，使得越来越多的@@更多复杂的@@电子@@设备@@@@部署在@@了更恶劣@@、更难进入的@@环境中@@。这有@@助于在@@工业机器人@@@@、IO-Link接口@@、工业传感器和@@@@IIoT设备@@@@、可编程逻辑控制器@@ (PLC) 和@@以@@太网@@供电@@ (PoE) 等应用@@中进行可重复的@@@@、确定性静电放电@@ (ESD) 和@@电气过应力@@ (EOS) 事件@@保护@@@@。这些应用@@需要@@满足@@IEC61000标准@@的@@@@瞬态保护@@要求@@。虽然瞬态电压抑制@@ (TVS) 二极管@@能很好地满足设计人员的@@要求@@@@，但越来越多的@@应用@@需要@@更确定@@、更线性@@、更紧凑和@@更可靠的@@@@ESD和@@EOS保护@@。

为了满足这些不断提高@@的@@性能和@@外形尺寸要求@@，可以@@采用@@瞬态分流抑制器@@@@ (TDS) 器件@@。这种器件@@同时@@具有@@@@卓越的@@箝位@@、线性和@@温度稳定性@@，可获得更有@@保证的@@性能水平@@。TDS器件@@不像@@TVS二极管@@那样耗散浪涌能量@@，而@@是@@将@@这种能量转移到地@@。与@@TVS替代品相比@@，TDS不会耗散能量@@，因此@@其尺寸可以@@更小@@，这有@@助于缩小解决方案尺寸@@。此外@@，TDS器件@@的@@@@钳位电压@@会比@@TVS二极管@@低@@30%，因此@@减少了系统的@@电气应力@@，提高@@了可靠性@@。

本文将@@介绍@@TDS器件@@如何工作及其给关键应用@@带来的@@好处@@。然后@@，以@@Semtech的@@TDS器件@@为例进行介绍并给出成功应用@@这些器件@@的@@@@@@PCB布局指南@@。

TDS浪涌保护@@器@@如何工作@@

浪涌级场效应晶体管@@ (FET) 是@@TDS器件@@中@@的@@主要保护@@@@188足彩外围@@app 。当发生@@EOS事件@@且瞬态电压超过集成精密触发器电路@@的@@击穿电压@@ (VBR) 时@@，驱动电路被激活@@，场效应管导通@@，将@@瞬态能量@@ (IPP) 传导至@@地@@（图@@1） 。

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图@@1：在@@TDS器件@@中@@，当检测到@@EOS事件@@时@@@@，精密触发器电路@@（左@@）会激活@@FET压控开关@@（右@@），将@@能量尖峰@@ (IPP) 直接转移至@@地@@（图@@片@@来源@@@@：Semtech） 

随着脉冲电流增大至@@@@IPP，FET的@@导通电阻@@ (RDS(ON)) 变成几个@@毫欧@@ (mΩ) ，钳位电压@@ (VC) 与@@触发电路的@@@@VBR几乎相同@@。因此@@，TDS器件@@的@@@@VC在@@IPP范围内几乎是@@恒定的@@@@。这与@@@@TVS装置中的@@箝位作用不同@@，后者已知@@：

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其中@@Rdyn是@@动态电阻@@。

在@@TVS设备@@@@中@@，Rdyn 值固定@@，使得箝位电压在@@额定电流范围内随着@@IPP的@@增加而@@线性增加@@。对于@@TDS器件@@来说@@，VC 在@@工作温度以@@及@@@@IPP范围内都是@@稳定的@@@@，从而@@实现了决定性的@@@@EOS保护@@（图@@2） 。

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图@@2：对于@@如@@TDS2211P（实线部分@@）之类@@TDS器件@@，钳位电压@@在@@温度和@@@@Ipp的@@范围内保持恒定@@，从而@@提供确定的@@@@@@EOS保护@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

TDS器件@@的@@@@VC相对较低@@，因此@@被保护@@器件@@不仅受到的@@电气应力也较低@@，而@@且提高@@了可靠性@@@@（图@@3） 。

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图@@3：TDS器件@@的@@@@低@@VC（此处用@@VClamp 表@@示@@，绿色@@曲线@@）通过减小受保护@@器件@@所受的@@电气应力来提高@@可靠性@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

TDS器件@@的@@@@性能支持满足多个@@标准@@要求@@的@@系统设计@@：IEC 61000-4-2标准@@的@@@@ESD抗扰度要求@@、IEC 61000-4-4标准@@的@@@@猝发@@@@/电气快速瞬变@@ (EFT) 抗扰度要求@@，以@@及@@IEC 61000-4-5标准@@的@@@@浪涌抗扰度要求@@@@。这使得@@TDS器件@@适合许多恶劣环境下的@@应用@@@@。下文将@@介绍@@TDS的@@应用@@实例@@，包括@@用于保护@@负载开关@@的@@@@22V TDS器件@@、适合保护@@@@IO-Link收发器的@@@@33V TDS器件@@，以@@及@@可用于保护@@@@PoE装置的@@@@58 V TDS器件@@。

保护@@负载开关@@

使用@@22 V TDS2211P可以@@保护@@工业设备@@@@@@、机器人@@、远程仪表@@@@、USB电力传输@@ (PD) 和@@IIoT设备@@@@中@@的@@负载开关@@、电子@@保险丝输入免受@@EOS事件@@的@@影响@@。该@@TDS器件@@的@@@@EOS保护@@等级包括@@@@：

  • 接触@@和@@空气@@的@@@@ESD耐受电压@@等级为@@±30kV，符合@@IEC61000-4-2标准@@要求@@
  • 峰值脉冲的@@额定电流为@@40A (tp = 8/20μs)，符合@@IEC 61000-4-5标准@@要求@@；±1kV（tp = 1.2/50μs、分流电阻@@ (RS) = 42Ω），符合@@IEC 61000-4-5标准@@要求@@，适用于非对称线路@@
  • EFT耐受电压@@为@@±4 kV（100kHz和@@5kHz、5/50ns），符合@@IEC 61000-4-4标准@@

当采用这种配置时@@@@，TDS2211P可以@@保护@@下游器件@@免受雷击@@、ESD和@@其他@@EOS事件@@的@@影响@@，该@@器件@@还可保持@@VC低于负载开关中开关@@FET的@@损坏阈值@@（图@@4） 。
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图@@4：TDS2211P可用于保护@@负载开关@@@@ (HS2950P) 和@@下游器件@@免受雷电@@、ESD和@@其他@@EOS事件@@的@@影响@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

I0-Link保护@@

除了在@@工业环境中发生的@@常见@@ESD和@@EOS危险外@@，将@@I0-Link收发器插入@@I0-Link主设备@@@@或@@从这些设备@@@@上拔出时@@@@，可能会遇到数千伏的@@电压尖峰@@。通常用于保护@@@@I0-Link收发器的@@@@TVS二极管@@可以@@用@@TDS器件@@来补充@@，以@@提升保护@@性能@@。在@@典型的@@电路保护@@@@应用@@中@@，所用器件@@的@@@@额定值至@@少为输入电源的@@@@115%，因此@@对于@@@@I0-Link之类@@的@@@@24V应用@@，选用像@@TDS3311P TDS这样的@@@@33V保护@@器件@@是@@合适的@@@@。TDS3311P的@@主要规格如下@@：

  • 接触@@和@@空气@@的@@@@ESD耐受电压@@为@@±30kV，符合@@IEC61000-4-2标准@@的@@@@要求@@

  • 峰值脉冲电流能力@@为@@35A (tp = 8/20 μs) ，以@@及@@1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42Ω) ，符合@@IEC61000-4-5标准@@的@@@@非对称线路要求@@

  • 符合@@IEC61000-4-4标准@@的@@@@猝发@@@@/EFT抗扰度要求@@

有@@两种常见的@@@@I0-Link端口@@配置@@，即@@3引脚@@和@@@@4引脚@@。这两种配置需要@@稍有@@不同的@@保护@@方案@@。在@@这两种情况下@@，TDS器件@@可以@@在@@@@VBUS (L+ (24V)) 线路上补充一个@@@@ µClamp3671P TVS二极管@@，以@@提供反极性保护@@@@（图@@5）。
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图@@5：使用@@TDS器件@@（绿色@@矩形@@）针对@@3引脚@@I0-Link端口@@（顶部@@）和@@4引脚@@I0-Link端口@@（底部@@）的@@ESD保护@@的@@比较@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

在@@3引脚@@情况下@@，需要@@3个@@TDS器件@@。如需要@@@@，可以@@通过两个@@面对面的@@@@TDS3311P来提供双向保护@@@@。在@@4引脚@@情况下@@，I0-Link端口@@的@@所有@@四个@@针脚应均能承受正负浪涌@@。连接器的@@每对引脚@@间都需要@@进行测试@@，以@@确保@@I0-Link收发器的@@@@浪涌保护@@性能@@，并应按照@@IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4猝发@@/EFT和@@IEC 61000-4-5浪涌的@@要求@@水平进行测试@@。

PoE保护@@

PoE保护@@方案必须考虑@@EOS事件@@可能是@@共模@@（相对于@@地@@）或@@差分@@（线对线@@）的@@情况@@。PoE的@@供电电压为@@48V，因此@@像@@TDS5801P这样的@@@@58V TDS器件@@可用于在@@@@RJ-45连接器一侧提供@@EOS保护@@。TDS5801P的@@规格如下@@：

  • ESD耐受电压@@：±15kV（接触@@）和@@±20kV（空气@@） ，符合@@IEC61000-4-2标准@@的@@@@要求@@
  • 峰值脉冲电流能力@@：20A (tp = 8/20 μs) ，1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42 Ω) ，符合@@IEC61000-4-5标准@@的@@@@的@@要求@@@@

  • 根据@@IEC61000-4-4的@@要求@@，EFT耐受电压@@为@@±4kV（100kHz和@@5kHz、5/50ns）

PoE系统中的@@电源是@@通过变压器的@@中心抽头连接来提供的@@@@。PD (RJ-45) 端必须同时@@保护@@模式@@A（通过数据对@@@@1和@@2、数据对@@3和@@6提供电源@@）和@@模式@@B（通过引脚@@@@4和@@引脚@@@@5以@@及@@引脚@@@@7和@@引脚@@@@8提供电源@@) ，因此@@需要@@两对@@TDS5801P来实现跨中心抽头连接的@@双向保护@@@@（图@@6） 。

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图@@6：背对背@@TDS器件@@（绿色@@，TDS5801P）在@@PoE系统中提供双向保护@@@@，防止@@EOS事件@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

变压器提供了共模隔离@@，但不能提供差分浪涌保护@@@@。在@@差动@@EOS事件@@中@@，线路侧的@@@@变压器绕组被充电@@，能量转移到二次侧@@，直到浪涌结束或@@变压器饱和@@@@。PD侧的@@@@TDS器件@@可以@@用位于变压器的@@以@@太网@@物理层@@ (PHY) 侧的@@@@四个@@@@RClamp3361P ESD保护@@器件@@进行补充@@，防止@@差分@@EOS事件@@。

TDS器件@@

SurgeSwitch TDS器件@@为设计人员提供了多种工作电压选择@@，包括@@22 V (TDS2211P) 、30V (TDS3011P) 、33V (TDS3311P) 、40V (TDS4001P) 、45V (TDS4501P) 和@@58V (TDS5801P) （表@@1） 。这些器件@@满足@@ IEC61000 标准@@的@@@@要求@@，可用于那些在@@恶劣的@@@@5G电话和@@工业环境中运行的@@系统@@。

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表@@1：SurgeSwitch器件@@的@@@@额定电压为@@22V至@@58V，可满足许多应用@@要求@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

由于@@TDS器件@@是@@非耗散性器件@@@@，而@@是@@通过低阻抗路径将@@浪涌能量直接转移到地面@@，因此@@可以@@采用@@@@1.6 x 1.6 x 0.55mm的@@小型封装@@中@@，相比其他浪涌保护@@器@@件通常采用的@@@@SMA和@@SMB封装@@，可以@@显著节省电路板空间@@@@。具有@@@@6个@@引脚@@的@@@@DFN封装@@包括@@@@3个@@输入引脚@@和@@@@@@3个@@用于将@@浪涌能量转移到地的@@引脚@@@@（图@@7） 。

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图@@7：TDS器件@@采用@@1.6 x 1.6 x 0.55mm的@@DFN封装@@，有@@6根引线@@（右@@）；1、2、3号引脚@@接地@@，而@@4、5、6号引脚@@用作@@EOS/ESD保护@@输入@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

电路板布局指南@@@@@@

当在@@电路板上安装@@SurgeSwitch TDS器件@@时@@@@，其所有@@接地引脚@@@@（1、2和@@3）都必须连接到同一印制线上@@，所有@@的@@输入引脚@@@@（4、5和@@6）也必须连接到同一印制线@@，以@@获得最大的@@浪涌电流能力@@。如果接地线位于电路板的@@不同层@@，强烈建议使用@@多个@@通孔与@@地平面连接@@（图@@8） 。按照这些@@PC板布局指南@@@@，可以@@最大限度地减少寄生电感并优化器件@@性能@@。此外@@，SurgeSwitch TDS器件@@应尽可能地靠近受保护@@的@@连接器或@@器件@@@@。这会把瞬时@@能量与@@印制线的@@耦合降至@@最低@@，这在@@快速上升时@@间@@EOS事件@@中@@尤其重要@@。由于@@TDS器件@@不会耗散任何能量@@，因此@@不需要@@在@@器件@@下方设置导热垫来传导热能@@。

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图@@8：当接地平面位于电路板的@@不同层时@@@@，为获得最佳性能@@，建议采用多个@@通孔进行连接@@。（图@@片@@来源@@@@：Semtech）

本文小结@@

对于@@设计在@@恶劣环境下工作的@@工业和@@@@5G电话设备@@@@的@@设计人员来说@@，可以@@采用@@TDS器件@@，以@@提供可靠@@、确定的@@@@ESD和@@EOS事件@@保护@@@@。TDS器件@@的@@@@VC相对较低@@，通过减少元器件@@的@@@@电气应力来提高@@系统可靠性@@。这些器件@@符合@@@@IEC61000标准@@的@@@@瞬态保护@@要求@@，并有@@@@22V至@@58V电压范围@@，可满足特定应用@@的@@要求@@@@。TDS器件@@体积小巧@@，有@@助于减少整体解决方案的@@尺寸@@，但设计人员需要@@遵循一些简单的@@@@PC板布局要求@@，以@@发挥@@TDS器件@@的@@@@最大性能@@。

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