Como melhorar a proteção ESD usando supressores de desvio transientes

A disseminação da Indústria 4.0, a Internet Industrial das Coisas (IIoT) e a telefonia 5G estão resultando em dispositivos eletrônicos mais sofisticados sendo implantados em ambientes mais severos e inacessíveis. Isto está contribuindo para a necessidade de proteção repetitiva e determinística contra descarga eletrostática (ESD) e eventos de estresse elétrico excessivo (EOS) em aplicações tais como robôs industriais, interfaces IO-Link, sensores industriais e dispositivos IIoT, controladores lógicos programáveis (PLCs) e Alimentação via Ethernet (PoE). Estas aplicações são necessárias para atender às exigências de proteção transitória da IEC 61000. Embora os diodos de supressão de tensão transiente (TVS) tenham servido bem aos projetistas, cada vez mais, as aplicações exigem ainda mais proteções determinísticas, lineares, compactas e confiáveis contra ESD e EOS.

Para atender a essas demandas crescentes de desempenho e fator de forma, os projetistas podem recorrer a dispositivos supressores de desvio transiente (TDS) que combinam grampeamento superior, linearidade e estabilidade sobre a temperatura, para um nível de desempenho mais garantido. Em vez de dissipar a energia de surto como um diodo TVS, um dispositivo TDS desvia a energia de surto para o terra. Como eles não dissipam a energia, os dispositivos TDS podem ser menores em comparação com as alternativas TVS, contribuindo para soluções de menor tamanho. Além disso, a tensão de grampeamento dos dispositivos TDS pode ser 30% menor do que os diodos TVS, reduzindo os estresses do sistema e melhorando a confiabilidade.

Este artigo descreve como funcionam os dispositivos TDS e os benefícios que eles trazem para as principais aplicações. Em seguida, apresenta uma variedade de exemplos de dispositivos TDS do mundo real da Semtech, com diretrizes de layout de placas de circuito impresso para sua aplicação bem-sucedida.

Como funciona a proteção TDS contra surtos

Um transistor de efeito de campo (FET) dimensionado para surtos é o principal elemento de proteção em um dispositivo TDS. Quando ocorre um evento EOS e a tensão transiente excede a tensão de ruptura (V_BR) do circuito integrado de disparo de precisão, o circuito de acionamento é ativado, ligando o FET que conduz a energia transiente (I_PP) ao terra (Figura 1).

Figura 1: Em um dispositivo TDS, um circuito de disparo de precisão (esquerda) ativa a chave FET controlada por tensão (direita) quando um evento EOS é detectado, desviando o pico de energia (I_PP) diretamente para o terra (Fonte da imagem: Semtech)

A medida que a corrente de pulso sobe em direção à I_PP, a resistência de condução do FET (R_DS(ON)) torna-se alguns miliohms (mΩ), e a tensão de grampeamento (V_C) é quase o mesmo valor que o V_BR do circuito de disparo. Como resultado, o V_C de um dispositivo TDS é quase constante em toda a faixa I_PP. Isso difere da ação de grampeamento em um dispositivo TVS, que é dada como:

Onde R_dyn é a resistência dinâmica.

Em um dispositivo TVS, o R_dyn é um valor fixo, fazendo com que a tensão de grampeamento aumente linearmente com aumentos na I_PP sobre a faixa de corrente nominal. Para um dispositivo TDS, o V_C é estável na faixa de temperatura de operação, bem como na faixa I_PP, resultando em proteção EOS determinística (Figura 2).

Figura 2: A tensão de grampeamento é constante através da temperatura e I_pp para um dispositivo TDS, como o TDS2211P (linha sólida), fornecendo proteção EOS determinística. (Fonte da imagem: Semtech)

O V_C relativamente baixo dos dispositivos TDS resulta em menor estresse nos componentes protegidos e maior confiabilidade (Figura 3).

Figura 3: O baixo V_C (mostrado aqui como VClamp) de um dispositivo TDS (traço verde) melhora a confiabilidade, reduzindo o estresse sobre os componentes protegidos. (Fonte da imagem: Semtech)

O desempenho do dispositivo TDS suporta o projeto de sistemas que atendem às exigências da IEC 61000-4-2 para imunidade a ESD, IEC 61000-4-4 para imunidade a ruptura/transiente elétrico rápido (EFT), e IEC 61000-4-5 para imunidade a surtos. Isto torna os dispositivos TDS adequados para uso em uma gama de aplicações em ambientes agressivos. As seções seguintes apresentam exemplos de aplicação do TDS, incluindo um dispositivo TDS de 22 volts para proteção do interruptor de carga, um dispositivo TDS de 33 volts adequado para proteção do transceptor IO-Link e um dispositivo TDS de 58 volts que pode ser usado para proteger instalações PoE.

Proteção de interruptores de carga

Interruptores de carga e entradas de fusíveis eletrônicos em equipamentos industriais, robótica, medidores remotos, dispositivos USB de fornecimento de energia (PD) e IIoT podem ser protegidos contra eventos EOS usando o TDS2211P de 22 volts. Os dimensionamentos de proteção EOS deste dispositivo TDS incluem:

• ESD suporta tensões nominais de ±30 quilovolts (kV) para contato e ar, de acordo com IEC 61000-4-2
• Corrente nominal de pico de 40 amperes (A) (t_p = 8/20 microseconds (μs)), conforme IEC 61000-4-5, e ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; resistência shunt (R_S) = 42 Ω), conforme IEC 61000-4-5 para linhas assimétricas
• EFT suporta tensão de ±4 kV (100 quilohertz (kHz) e 5 kHz, 5/50 nanossegundos (ns)), de acordo com IEC 61000-4-4

Quando usado nesta configuração, o TDS2211P protege os componentes a jusante contra raios, ESD e outros eventos EOS, e também mantém o V_C abaixo do limiar de dano do FET de chaveamento no interruptor de carga (Figura 4).

Figura 4: O TDS2211P pode ser usado para proteger um interruptor de carga (HS2950P) e componentes a jusante contra raios, ESD e outros eventos EOS. (Fonte da imagem: Semtech)

Proteção IO-Link

Além dos riscos gerais de ESD e EOS encontrados em ambientes industriais, os transceptores IO-Link podem experimentar picos de tensão de vários milhares de volts quando conectados ou desconectados do dispositivo mestre IO-Link. O diodo TVS normalmente usado para proteger transceptores IO-Link pode ser complementado com dispositivos TDS para melhor proteção. Uma aplicação típica de proteção de circuito usa dispositivos dimensionados para pelo menos 115% da alimentação de entrada, portanto, para uma aplicação de 24 volts como o IO-Link, um dispositivo de proteção de 33 volts como o TDS TDS3311P é adequado. As principais especificações do TDS3311P incluem:

• ESD suporta tensão de ±30 kV tanto para contato quanto para ar, conforme requerido pela IEC 61000-4-2
• Capacidade de corrente de pico de 35 A (t_p = 8/20 μs), e 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), conforme requerido pela IEC 61000-4-5 para linhas assimétricas
• Atende à IEC 61000-4-4 para imunidade a ruptura/EFT

Existem duas configurações comuns de portas IO-Link, 3 pinos e 4 pinos, que requerem esquemas de proteção ligeiramente diferentes. Em ambos os casos, os dispositivos TDS podem ser complementados com um díodo TVS µClamp3671P na linha V_BUS (L+(24 volts)) para proteção de polaridade inversa (Figura 5).

Figura 5: Comparação da proteção ESD usando dispositivos TDS (retângulos verdes) para uma porta IO-Link de 3 pinos (superior) e porta IO-Link de 4 pinos (inferior). (Fonte da imagem: Semtech)

No caso de uma implementação de 3 pinos, são necessários 3 dispositivos TDS. Se desejado, a proteção bidirecional pode ser fornecida pelos dois TDS3311Ps de frente um para o outro. Quando uma configuração de 4 pinos é utilizada, todos os quatro pinos da porta IO-Link devem resistir tanto aos surtos positivos quanto negativos. Os testes para garantir o desempenho da proteção contra surtos dos transceptores IO-Link são necessários entre todos os pares de pinos no conector e devem ser realizados nos níveis exigidos pela IEC 61000-4-2 para ESD, IEC 61000-4-4 para ruptura/EFT e IEC 61000-4-5 para surtos.

Proteção para PoE

Os esquemas de proteção PoE devem considerar a possibilidade de que os eventos EOS possam ser comuns (em relação ao terra) ou diferenciais (linha a linha). O PoE fornece alimentação de 48 volts, de modo que um dispositivo TDS de 58 volts como o TDS5801P pode ser usado para fornecer proteção EOS no lado do conector RJ-45. As especificações para o TDS5801P incluem:

• ESD suporta tensão: ±15 quilovolts (kV) (contato) e ±20 kV (ar), conforme necessário para IEC 61000-4-2
• Capacidade de corrente de pico: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) de acordo com IEC 61000-4-5
• EFT suporta tensão de ±4 kV (100 kHz e 5 kHz, 5/50 ns) conforme requerido pela IEC 61000-4-4

A alimentação em um sistema PoE é fornecida usando as conexões da derivação central no transformador. O lado PD (RJ-45) deve proteger tanto o Modo A (energia fornecida usando os pares de dados 1 e 2 além de 3 e 6) e o Modo B (pinos 4 e 5 e pinos 7 e 8 fornecem energia), portanto, dois pares de TDS5801Ps são necessários para a proteção bidirecional através das conexões da derivação central (Figura 6).

Figura 6: Os dispositivos TDS, um de costas para o outro, (verde, TDS5801P) fornecem proteção bidirecional contra eventos EOS em um sistema PoE. (Fonte da imagem: Semtech)

A isolação do modo comum é fornecida pelo transformador, mas ele não protege contra surtos diferenciais. Durante um evento EOS diferencial, os enrolamentos do transformador no lado da linha são carregados e a energia é transferida para o lado secundário até que o surto termine ou o transformador se sature. Os dispositivos TDS no lado PD podem ser complementados com quatro dispositivos de proteção ESD RClamp3361P localizados na camada física Ethernet (PHY) do lado do transformador para proteger contra eventos EOS diferenciais.

Dispositivos TDS

Estão disponíveis dispositivos TDS de chave de surto que oferecem aos projetistas uma seleção de tensões operacionais incluindo, 22 volts (TDS2211P), 30 volts (TDS3011P), 33 volts (TDS3311P), 40 volts (TDS4001P), 45 volts(TDS4501P) e 58 volts (TDS5801P) (Tabela 1). Eles atendem às exigências da IEC 61000 para uso em sistemas que operam em ambientes industriais severos e de telefonia 5G.

Tabela 1: Os dispositivos de chave de surto estão disponíveis com tensões nominais de 22 a 58 volts para uma gama de requisitos de aplicação. (Fonte da imagem: Semtech)

Como os dispositivos TDS são não-dissipativos e desviam a energia de surtos diretamente para o terra através de um caminho de baixa impedância, eles podem ser alojados em um pequeno invólucro de 1,6 x 1,6 x 0,55 mm que poupa espaço significativo na placa em relação aos invólucros SMA e SMB que são frequentemente usados para alojar outros dispositivos de proteção contra surtos. O invólucro DFN de 6 pinos inclui três pinos de entrada e 3 pinos para desviar a energia de surto para o terra (Figura 7).

Figura 7: Os dispositivos TDS vêm em um invólucro DFN medindo 1,6 x 1,6 x 0,55 mm com 6 condutores (direita); os pinos 1, 2 e 3 conectam-se ao terra, enquanto os pinos 4, 5 e 6 são a entrada de proteção EOS / ESD. (Fonte da imagem: Semtech)

Diretrizes de layout da placa

Ao colocar um dispositivo TDS de chave de surto em uma placa de circuito impresso, todos os pinos de terra (1, 2 e 3) devem ser conectados a uma única trilha, e todos os pinos de entrada (4, 5 e 6) devem ser conectados a uma única trilha para máxima capacidade da corrente de surto. Se o terra estiver em uma camada diferente da placa de circuito impresso, recomenda-se ainda que sejam usadas várias vias para conectar com o plano de terra (Figura 8). Seguir estas diretrizes de layout da placa de circuito impresso minimiza as indutâncias parasitárias e otimiza o desempenho do dispositivo. Além disso, o dispositivo TDS de chave de surto deve ser colocado o mais próximo possível do conector ou do dispositivo a ser protegido. Isto minimiza qualquer acoplamento de energia transitória às trilhas adjacentes e é especialmente importante durante eventos EOS de rápido aumento de tempo. Como os dispositivos TDS não dissipam nenhuma energia, não há necessidade de um pad térmico sob o dispositivo para conduzir a energia térmica.

Figura 8: Para um ótimo desempenho, recomenda-se a conexão com várias vias, quando o plano de terra estiver em uma camada diferente da placa de circuito impresso do dispositivo TDS. (Fonte da imagem: Semtech)

Conclusão

Os projetistas de equipamentos industrial e telefonia 5G que operam em ambientes agressivos podem recorrer a dispositivos TDS para fornecer proteção confiável e determinística contra eventos ESD e EOS. O V_C relativamente baixo dos dispositivos TDS aumenta a confiabilidade do sistema ao reduzir as tensões dos componentes. Estes dispositivos atendem às exigências de proteção transitória da IEC 61000 e estão disponíveis em uma gama de tensões de 22 a 58 volts para corresponder às exigências de aplicações específicas. Seu tamanho compacto ajuda a reduzir o tamanho total da solução, mas os projetistas precisam seguir alguns requisitos simples de layout da placa de circuito impresso para notar o máximo desempenho dos dispositivos TDS.

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