Come migliorare la protezione dalle scariche elettrostatiche utilizzando i soppressori di transitori

La diffusione di Impresa 4.0, Internet delle cose industriale (IIoT) e della telefonia 5G sta portando all'impiego di dispositivi elettronici più sofisticati in ambienti sempre più difficili e inaccessibili. Ciò contribuisce alla necessità di una protezione ripetibile e deterministica dalle scariche elettrostatiche (ESD) e dagli eventi di sovraccarico di tensione (EOS) in applicazioni come i robot industriali, le interfacce IO-Link, i sensori industriali e i dispositivi IIoT, i controller a logica programmabile (PLC) e Power over Ethernet (PoE). Queste applicazioni devono soddisfare i requisiti di protezione dai transitori previsti dalle norme IEC 61000. Sebbene i diodi di soppressione di tensioni transitorie (TVS) siano stati utili ai progettisti, sempre più spesso le applicazioni richiedono una protezione ESD ed EOS ancora più deterministica, lineare, compatta e affidabile.

Per far fronte a queste crescenti esigenze in termini di prestazioni e fattore di forma, i progettisti possono rivolgersi a dispositivi di soppressione di transitori (TDS) che combinano una tenuta all'impulso, una linearità e una stabilità superiori rispetto alla temperatura, per un livello di prestazioni più sicuro. Invece di dissipare l'energia di picco transitorio come un diodo TVS, un dispositivo TDS devia l'energia di picco transitorio verso terra. Poiché non dissipano l'energia, i dispositivi TDS possono essere più piccoli rispetto alle alternative TVS, contribuendo a ridurre le dimensioni della soluzione finale. Inoltre, la tensione di tenuta all'impulso dei dispositivi TDS può essere inferiore del 30% rispetto ai diodi TVS, riducendo le sollecitazioni sul sistema e migliorando l'affidabilità.

Questo articolo descrive il funzionamento dei dispositivi TDS e i vantaggi che comportano per le principali applicazioni. Vengono quindi presentati vari esempi di dispositivi TDS reali di Semtech e le linee guida per il layout della scheda CS per la riuscita dell'applicazione.

Come funziona la protezione dai picchi transitori TDS

Un transistor a effetto di campo (FET) con protezione dai picchi transitori è l'elemento di protezione principale di un dispositivo TDS. Quando si verifica un evento EOS e la tensione transitoria supera la tensione di rottura (V_BR) del circuito di attivazione di precisione integrato, il circuito di pilotaggio si attiva, accendendo il FET che conduce l'energia transitoria (_IPP) a terra (Figura 1).

Figura 1: In un dispositivo TDS, un circuito di sgancio di precisione (a sinistra) attiva l'interruttore controllato in tensione del FET (a destra) quando sopravviene un evento EOS, deviando il picco di energia (I_PP) direttamente a terra (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Quando la corrente impulsiva sale verso I_PP, la resistenza nello stato On (RDSon) diventa di pochi milliohm e la tensione di tenuta all'impulso (V_C) ha quasi lo stesso valore della V_BR del circuito di sgancio. Di conseguenza, la V_C di un dispositivo TDS è quasi costante in tutto l'intervallo I_PP. Questo differisce dall'azione di tenuta all'impulso in un dispositivo TVS, che è data come:

Dove R_dyn è la resistenza dinamica.

In un dispositivo TVS, R_dyn è un valore fisso che fa sì che la tensione di tenuta all'impulso aumenti linearmente con l'aumento di I_PP nell'intervallo di corrente nominale. Per un dispositivo TDS, V_C è stabile nell'intervallo della temperatura di funzionamento e nell'intervallo I_PP, con conseguente protezione EOS deterministica (Figura 2).

Figura 2: La tensione di tenuta all'impulso è costante in funzione della temperatura e di I_PP per un dispositivo TDS, come TDS2211P (linea continua), che fornisce una protezione EOS deterministica. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

La V_C relativamente bassa dei dispositivi TDS comporta minori sollecitazioni sui componenti protetti e una maggiore affidabilità (Figura 3).

Figura 3: La bassa V_C (qui indicata come VClamp) di un dispositivo TDS (traccia verde) migliora l'affidabilità riducendo le sollecitazioni sui componenti protetti. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Le prestazioni dei dispositivi TDS supportano la progettazione di sistemi che soddisfano i requisiti IEC 61000-4-2 per l'immunità alle scariche elettrostatiche, IEC 61000-4-4 per l'immunità ai burst e ai transitori elettrici veloci (EFT) e IEC 61000-4-5 per l'immunità ai picchi transitori. Ciò rende i dispositivi TDS adatti all'uso in una vasta gamma di applicazioni in ambienti difficili. Le sezioni seguenti presentano esempi di applicazioni TDS, tra cui un dispositivo TDS da 22 V per la protezione degli interruttori di carico, un dispositivo TDS da 33 V ideale per la protezione dei transceiver IO-Link e un dispositivo TDS da 58 V che può essere utilizzato per proteggere le installazioni PoE.

Protezione degli interruttori di carico

Gli interruttori di carico e gli ingressi dei fusibili elettronici nelle apparecchiature industriali, nella robotica, nei contatori remoti, nei dispositivi USB Power Delivery (PD) e IIoT possono essere protetti dagli eventi EOS utilizzando un dispositivo TDS2211P da 22 V. I gradi di protezione EOS di questo dispositivo TDS comprendono:

• Limiti di impiego ESD per tensione di tenuta di ±30 kV a contatto e in aria, secondo IEC 61000-4-2
• Corrente impulsiva di picco nominale di 40 A (t_p = 8/20 μs), secondo IEC 61000-4-5, e ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; resistenza di shunt (R_S) = 42 Ω), secondo IEC 61000-4-5 per linee non simmetriche
• Tensione di tenuta EFT di ±4 kV (100 kHz e 5 kHz, 5/50 ns), secondo IEC 61000-4-4

Utilizzato in questa configurazione, TDS2211P protegge i componenti a valle da fulmini, ESD e altri eventi EOS e mantiene la V_C al di sotto della soglia di danneggiamento del FET di commutazione nell'interruttore di carico (Figura 4).

Figura 4: TDS2211P può essere utilizzato per proteggere un interruttore di carico (HS2950P) e i componenti a valle da fulmini, ESD e altri eventi EOS. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Protezione IO-Link

Oltre ai rischi generali di ESD e EOS presenti negli ambienti industriali, i transceiver IO-Link possono subire picchi di tensione di diverse migliaia di volt quando sono collegati o scollegati dal dispositivo master IO-Link. Il diodo TVS tipicamente utilizzato per proteggere i transceiver IO-Link può essere integrato con dispositivi TDS per migliorare la protezione. Una tipica applicazione di protezione dei circuiti utilizza dispositivi con una potenza nominale pari ad almeno il 115% dell'alimentazione di ingresso, quindi per un'applicazione a 24 V come IO-Link, è adatto un dispositivo di protezione a 33 V come TDS3311P di TDS. Le specifiche principali di TDS3311P includono:

• Tensione di tenuta ESD di ±30 kV sia a contatto che in aria, come richiesto da IEC 61000-4-2
• Capacità di corrente impulsiva di picco di 35 A (t_p = 8/20 μs) e 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), come richiesto da IEC 61000-4-5 per linee non simmetriche.
• Soddisfa IEC 61000-4-4 per l'immunità a burst/EFT

Esistono due configurazioni comuni di porte IO-Link, a 3 e a 4 pin, che richiedono schemi di protezione leggermente diversi. In entrambi i casi, i dispositivi TDS possono essere integrati con un diodo TVS µClamp3671P sulla linea V_BUS (L+(24 volt)) per la protezione dall'inversione di polarità (Figura 5).

Figura 5: Confronto della protezione ESD utilizzando i dispositivi TDS (rettangoli verdi) per una porta IO-Link a 3 pin (in alto) e una porta IO-Link a 4 pin (in basso). (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Nel caso di un'implementazione a 3 pin, sono necessari 3 dispositivi TDS. Se lo si desidera, è possibile fornire una protezione bidirezionale con due TDS3311P, uno di fronte all'altro. Quando si utilizza una configurazione a 4 pin, tutti e quattro i pin della porta IO-Link devono resistere a picchi transitori sia positivi che negativi. I test per garantire le prestazioni di protezione dai picchi transitori dei transceiver IO-Link sono necessari tra tutte le coppie di pin del connettore e devono essere eseguiti ai livelli richiesti da IEC 61000-4-2 per ESD, IEC 61000-4-4 per burst/EFT e IEC 61000-4-5 per picchi transitori.

Protezione per PoE

Gli schemi di protezione PoE devono considerare la possibilità che gli eventi EOS siano di modo comune (rispetto alla terra) o differenziale (da linea a linea). PoE eroga energia a 48 V, quindi può essere utilizzato un dispositivo TDS da 58 V come TDS5801P per fornire protezione EOS sul lato del connettore RJ-45. Le specifiche di TDS5801P includono:

• Tensione di tenuta ESD di ±15 kV (a contatto) e ±20 kV (in aria) come richiesto da IEC 61000-4-2
• Capacità di corrente impulsiva corrente di picco di 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) secondo IEC 61000-4-5
• Tensione di tenuta EFT di ±4 kV (100 kHz e 5 kHz, 5/50 ns), come richiesto da IEC 61000-4-4

L'alimentazione in un sistema PoE viene fornita dalle prese centrali del trasformatore. Il lato PD (RJ-45) deve proteggere sia la modalità A (l'energia elettrica viene erogata tramite le coppie di dati 1 e 2 e 3 e 6) che la modalità B (i pin 4 e 5 e i pin 7 e 8 erogano l'energia elettrica), pertanto sono necessarie due coppie di TDS5801P per la protezione bidirezionale attraverso le connessioni della presa centrale (Figura 6).

Figura 6: I dispositivi TDS in opposizione di fase (verde, TDS5801P) forniscono una protezione bidirezionale dagli eventi EOS in un sistema PoE. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

L'isolamento di modo comune è garantito dal trasformatore, ma non protegge dai picchi transitori differenziali. Durante un evento EOS differenziale, gli avvolgimenti del trasformatore sul terminale di linea si caricano e l'energia viene trasferita al lato secondario finché il picco transitorio non termina o il trasformatore non si satura. I dispositivi TDS sul lato PD possono essere integrati con quattro dispositivi di protezione ESD RClamp3361P situati sul lato dello strato fisico (PHY) Ethernet del trasformatore per proteggere da eventi EOS differenziali.

Dispositivi TDS

Sono disponibili dispositivi TDS SurgeSwitch che offrono ai progettisti varie scelte delle tensioni di funzionamento, tra cui 22 V (TDS2211P), 30 V (TDS3011P), 33 V (TDS3311P), 40 V (TDS4001P), 45 V (TDS4501P) e 58 V (TDS5801P) (Tabella 1). Sono conformi ai requisiti IEC 61000 per l'uso in sistemi operanti in difficili ambienti industriali e di telefonia 5G.

Tabella 1: I dispositivi SurgeSwitch sono disponibili con tensioni nominali da 22 a 58 V per soddisfare una vasta gamma di requisiti applicativi. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Poiché i dispositivi TDS non sono dissipativi e deviano l'energia di picco transitorio direttamente a terra attraverso un percorso a bassa impedenza, possono essere alloggiati in un contenitore compatto (1,6 x 1,6 x 0,55 mm) che offre un notevole risparmio di spazio sulla scheda rispetto ai contenitori SMA e SMB spesso utilizzati per ospitare altri dispositivi di protezione dai picchi transitori. Il contenitore DFN a 6 pin comprende tre pin di ingresso e 3 pin per la deviazione dell'energia di picco transitorio verso terra (Figura 7).

Figura 7: I dispositivi TDS sono disponibili in un contenitore DFN di 1,6 x 1,6 x 0,55 mm con 6 conduttori (a destra); i pin 1, 2 e 3 si collegano a terra, mentre i pin 4, 5 e 6 sono l'ingresso di protezione EOS/ESD. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Linee guida per il layout della scheda

Quando si posiziona un dispositivo TDS SurgeSwitch su una scheda CS, per la massima capacità di corrente di picco transitorio tutti i pin di terra (1, 2 e 3) devono essere collegati a una singola traccia e questo vale anche per tutti i pin di ingresso (4, 5 e 6). Se la messa a terra si trova su uno strato diverso della scheda, si consiglia di utilizzare più fori di via per il collegamento con il piano di massa (Figura 8). Il rispetto di queste linee guida per il layout della scheda riduce al minimo le induttanze parassite e ottimizza le prestazioni del dispositivo. Inoltre, il dispositivo TDS SurgeSwitch deve essere posizionato il più vicino possibile al connettore o al dispositivo da proteggere. Ciò riduce al minimo l'accoppiamento dell'energia transitoria alle tracce adiacenti ed è particolarmente importante durante gli eventi EOS con rapido tempo di salita. Dato che i dispositivi TDS non dissipano energia, non è necessaria una piazzola termica sotto il dispositivo per allontanare l'energia termica.

Figura 8: Per le prestazioni ottimali, si consiglia il collegamento con più fori di via quando il piano di massa si trova su uno strato diverso della scheda CS rispetto al dispositivo TDS. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Conclusione

I progettisti di apparecchiature industriali e di telefonia 5G che operano in ambienti difficili possono rivolgersi ai dispositivi TDS per la protezione affidabile e deterministica da eventi ESD ed EOS. La V_C relativamente bassa dei dispositivi TDS aumenta l'affidabilità del sistema riducendo le sollecitazioni dei componenti. Questi dispositivi soddisfano i requisiti di protezione dai transitori IEC 61000 e sono disponibili in un intervallo di tensioni da 22 a 58 V per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche. Le loro dimensioni compatte contribuiscono a ridurre le dimensioni complessive della soluzione, ma i progettisti devono rispettare alcuni semplici requisiti di layout della scheda CS per ottenere le massime prestazioni dai dispositivi TDS.

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