Protezione dei circuiti USB-PD e PoE dalle sovracorrenti transitorie in ambito industriale

L'evoluzione di tecnologie come USB Type-C® Power Delivery (USB-PD) e Power over Ethernet (PoE) accresce continuamente le aspettative per le applicazioni di ricarica rapida e di alimentazione semplificata. Poiché questi protocolli sono utilizzati in applicazioni industriali e altamente integrate, la protezione dei circuiti da eventi di sovraccarico di tensione (EOS) e di scarica elettrostatica (ESD) è essenziale per garantire la sicurezza dell'utente e l'affidabilità del dispositivo. Tuttavia, con l'aumento della domanda di potenza in fattori di forma sempre più compatti, la protezione dai picchi transitori si fa più complicata.

Questo articolo delinea il panorama in evoluzione delle tecnologie USB-PD e PoE, illustrando la necessità incontestabile di proteggere i circuiti. L'articolo presenta i soppressori di transitori (TDS) di Semtech e spiega come utilizzarli per fornire un bassa tenuta all'impulso con un'eccellente stabilità termica in applicazioni industriali e di altro tipo.

I livelli di potenza in espansione di USB-PD e PoE

USB-PD e PoE sono diventati i protocolli standard per combinare la comunicazione dati ad alta velocità e l'alimentazione in un unico cavo. Oggi la loro velocità dati supera di gran lunga 1 Gbit/s e negli ultimi anni i livelli di potenza sono aumentati drasticamente:

• PoE: nel 2003, PoE (Tipo 1) forniva inizialmente 15,4 W per porta per l'alimentazione degli access point wireless. Entro il 2018, PoE++ (Tipo 4) supportava 100 W per porta, consentendone l'utilizzo in applicazioni ad alta potenza come le telecamere industriali avanzate.
• USB-PD: nel 2014, i cavi USB Type-C dovevano supportare USB-PD da 60 W per dispositivi come i tablet. Entro il 2021, lo standard USB-C PD 3.1 consentiva a USB Type-C di erogare 240 W per ricaricare sistemi più grandi.

Con carichi di potenza così elevati trasmessi su connettori di passo così sottile, gli eventi di picco transitorio sono diventate un rischio molto concreto per la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi che utilizzano PoE e USB-PD. La protezione dai picchi transitori diventa quindi un aspetto fondamentale della progettazione dei prodotti, soprattutto via via che diventano più compatti.

Protezione dei dispositivi con vincoli di spazio dai transitori di tensione dell'alimentazione

Per i dispositivi compatti caricati tramite USB-PD, gli elevati livelli di integrazione progettuale possono aumentare il rischio di picchi transitori. Ad esempio, le distanze ravvicinate dei componenti portano più facilmente ad archi tra le tracce causati dai picchi di tensione o dalle ESD. Questi archi possono danneggiare i componenti o causare errori nei dati in seguito all'aumento delle interferenze elettromagnetiche (EMI).

È più probabile che il calore dovuto a un picco transitorio provochi la rottura dell'isolante tra i pin, portando ad archi e cortocircuiti che danneggiano ulteriormente i circuiti vicini. Quando si verificano picchi transitori di potenza sulle linee I/O o dati, i componenti più sensibili di un dispositivo rischiano di subire danni gravi e immediati a causa di EOS o ESD.

I transitori di tensione di alimentazione possono inoltre compromettere la sicurezza elettrica e aumentare il rischio di incendio a causa di cortocircuiti ad alta corrente. Questi fattori rendono essenziale il rilevamento rapido delle anomalie dell'alimentazione in ingresso e la deviazione delle tensioni e correnti elevate dai circuiti applicativi critici, prima che si verifichino danni.

Per una protezione efficace in molte applicazioni, i componenti di soppressione dei transitori devono offrire le seguenti caratteristiche prestazionali:

• Le tensioni di tenuta all'impulso devono essere molto vicine alla tensione di funzionamento del circuito protetto per garantire la soppressione anche di lievi sovratensioni o eventi ESD. La tenuta all'impulso adatta dipende dallo standard USB-PD o PoE utilizzato.
• Una tensione di tenuta all'impulso costante, indipendentemente dall'ampiezza della corrente impulsiva o dalla temperatura di funzionamento, ottimizza la protezione nei sistemi con condizioni variabili.
• I componenti con protezione dai picchi transitori e immunità alle ESD devono essere estremamente robusti per rimanere operativi anche durante gli eventi più difficili, come le fulminazioni.
• Sono necessari componenti compatti adatti a installazioni con vincoli di spazio sempre più restrittivi.

Un nuovo approccio alla protezione dai picchi transitori

I TDS SurgeSwitch di Semtech sono progettati per soddisfare o superare questi requisiti applicativi. Questa famiglia di dispositivi compatti fornisce la protezione a linea singola contro eventi EOS ed ESD elevati per l'intero intervallo di tensioni di funzionamento USB-PD e PoE. Le specifiche principali della serie includono:

• Capacità di corrente impulsiva di picco di 40 A a 8/20 μs
• Immunità ai picchi transitori di livello 2 pari a ±1 kV ai sensi IEC 61000-4-5
• Immunità ESD superiore al livello 4 (8 kV al contatto e 15 kV scarica in aria)

Il meccanismo interno dei TDS SurgeSwitch (Figura 1) differisce in modo sostanziale da quello dei tradizionali dispositivi di protezione dalle tensioni transitorie, come i diodi TVS.

Figura 1: Il meccanismo di shunt basato su FET dei dispositivi TDS SurgeSwitch offre una tenuta all'impulso costante in condizioni di picco transitorio imprevedibili. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Anziché affidarsi a una giunzione PN convenzionale per il cedimento, per proteggere i componenti sensibili da eventi EOS ed ESD i TDS di Semtech utilizzano un transistor a effetto campo (FET) con protezione dai picchi transitori. Accoppiato a un circuito di pilotaggio, questo FET viene attivato da un circuito di trigger regolato con precisione per formare un interruttore controllato in tensione che funge da meccanismo di sgancio. Quando una tensione transitoria aumenta oltre la tensione nominale di sgancio di un dispositivo, il circuito di trigger attiva il FET shunt, commutandolo in acceso e deviando la corrente transitoria verso terra.

Utilizzando un meccanismo di commutazione basato su FET con una resistenza nello stato On ultrabassa, i dispositivi SurgeSwitch possono raggiungere tensioni di tenuta all'impulso costanti in un ampio intervallo di temperature di funzionamento e correnti di picco. Ciò consente l'integrazione di USB-PD e PoE nelle applicazioni industriali più esigenti che richiedono una protezione prevedibile dai picchi transitori per supportarne l'implementazione in un'ampia gamma di condizioni operative.

Selezione della soluzione TDS giusta

La scelta del dispositivo SurgeSwitch giusto dipende principalmente dalla tensione di lavoro dell'applicazione, in quanto questa determina la tensione di tenuta all'impulso necessaria per proteggere il circuito. Per tensioni più elevate, TDS5801P.C (Figura 2) protegge una linea I/O o di alimentazione funzionante a 58 V, tipica del PoE. Questo dispositivo è disponibile in un contenitore di 1,6 × 1,6 × 0,55 mm per la massima ottimizzazione dello spazio.

Figura 2: TDS5801P.C fornisce una robusta protezione dai picchi transitori per linee funzionanti a 58 V. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Il modello TDS5801P.C offre:

• Potenza impulsiva di picco nominale: 1.490 W a 8/20 μs
• Corrente impulsiva di picco: 20 A a 8/20 μs
• Tensione di tenuta all'impulso di alimentazione: 70,2 V (tip.)
• Tensione di tenuta all'impulso ESD: a soli 4,4 V
• Tensione nominale ESD:
  • in aria: ±20 kV
  • al contatto: ±15 kV

Grazie all'alta potenza impulsiva nominale e alla bassa tensione di tenuta all'impulso ESD, TDS5801P.C TDS è adatto per applicazioni PoE da esterno, come telecamere di videosorveglianza, contatori remoti e apparecchiature di rete, dove le condizioni atmosferiche avverse possono accentuare le ESD. In queste applicazioni, l'intervallo della temperatura di funzionamento esteso da -55 °C a +125 °C è essenziale per assicurare una protezione costante, indipendentemente dalle condizioni stagionali.

Per contro, il modello TDS0521PW.C (Figura 3) è una soluzione per le tensioni di lavoro di 5 V utilizzate nei dispositivi per Internet delle cose (IoT) e linee VBUS per USB-PD a basso consumo. Per accomodare dispositivi altamente integrati, il TDS è disponibile in un contenitore di 1,6 × 1,0 × 0,55 mm, con fianchi laterali impregnabili per il montaggio a raso.

Figura 3: Fornito in un contenitore compatto a due conduttori, TDS0521PW.C assicura la protezione dai picchi transitori in progetti con vincoli di spazio. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Le specifiche principali di TDS0521PW.C includono:

• Potenza impulsiva di picco nominale: 412 W a 8/20 μs
• Corrente impulsiva di picco:
  • 40 A a 8/20 μs
  • 8 A a 10/1000 μs
• Tensione di tenuta all'impulso di alimentazione: 8,7 V (tip.) per impulso di 40 A
• Tensione nominale ESD: ±30 kV (in aria e al contatto)

Per le apparecchiature sensibili a bassa tensione, questo dispositivo offre un'eccellente protezione dai picchi transitori di alto livello, soprattutto se collegato alla fonte di alimentazione primaria durante la ricarica.

Per una protezione simile a tensioni di lavoro di 22 V, TDS2261P.C (Figura 4) è un TDS adatto ad applicazioni USB-PD di fascia media, come i tablet industriali. Il modello TDS2261P.C offre:

• Potenza impulsiva di picco nominale: 1120 W a 8/20 μs
• Corrente impulsiva di picco:
  • 40 A a 8/20 μs
  • 3 A a 10/1000 μs
• Tensione di tenuta all'impulso di alimentazione: 27,7 V (tip.) per impulso di 40 A
• Tensione nominale ESD:
  • in aria: ±30 kV
  • al contatto: ±20 kV

Figura 4: TDS2261P.C offre una protezione versatile per i sistemi a 22 V in cui le correnti impulsive di breve durata raggiungono i 40 A. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Nonostante sia il più grande dei dispositivi SurgeSwitch, con dimensioni di 2 × 2 × 0,75 mm, TDS2261P.C è comunque una soluzione compatta per un'elevata protezione EOS ed ESD in dispositivi con vincoli di spazio. Oltre a USB-PD, altre applicazioni tipiche includono dispositivi di storage e sensori industriali.

Conclusione

Mentre gli standard USB-PD e PoE continuano ad ampliare le prestazioni di distribuzione dell'energia elettrica, la protezione dai picchi transitori diventa più complessa nella progettazione di dispositivi altamente integrati. La serie SurgeSwitch di Semtech supera le sfide progettuali con tensioni di tenuta all'impulso che rimangono costanti in un ampio intervallo di temperature e correnti impulsive. Forniscono inoltre una protezione affidabile dalle anomalie dell'alimentazione più severe, in presenza di diverse tensioni di linea e condizioni operative.