Verbesserung des ESD-Schutzes mit Hilfe von Transientenableitern

Die Verbreitung von Industrie 4.0, dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) und der 5G-Telefonie führt dazu, dass immer anspruchsvollere elektronische Geräte in raueren und unzugänglicheren Umgebungen eingesetzt werden. Dies trägt zum Bedarf an wiederholbarem und deterministischem Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) und elektrischer Überlastung (EOS) in Anwendungen wie Industrierobotern, IO-Link-Schnittstellen, Industriesensoren und IIoT-Geräten, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und PoE-Komponenten (Power over Ethernet) bei. Diese Anwendungen müssen die Anforderungen der IEC 61000 an den Überspannungsschutz erfüllen. Während TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression, Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen) den Entwicklern gute Dienste geleistet haben, erfordern Anwendungen zunehmend einen noch deterministischeren, linearen, kompakten und zuverlässigen ESD- und EOS-Schutz.

Um diesen steigenden Anforderungen an Leistung und Formfaktor gerecht zu werden, können Entwickler auf TDS-Bausteine (Transient Diverting Suppressor) zurückgreifen, die eine überlegene Klemmung, Linearität und Stabilität über die Temperatur hinweg kombinieren und so ein höheres Leistungsniveau gewährleisten. Anstatt die Überspannungsenergie wie eine TVS-Diode in Wärme umzuwandeln, leitet eine TDS-Komponente die Überspannungsenergie zur Erde um. Da sie die Energie nicht in Wärme umwandeln, können TDS-Bauteile im Vergleich zu TVS-Alternativen kleiner sein, was zu einer geringeren Größe der Lösung beiträgt. Darüber hinaus kann die Klemmspannung von TDS-Bauelementen um 30 % niedriger sein als bei TVS-Dioden, was die Systembelastung verringert und die Zuverlässigkeit erhöht.

In diesem Artikel wird beschrieben, wie TDS-Komponenten funktionieren und welche Vorteile sie für wichtige Anwendungen bieten. Anschließend werden eine Reihe von realen TDS-Bauteilbeispielen von Semtech zusammen mit Richtlinien für das Leiterplattenlayout vorgestellt, die eine erfolgreiche Anwendung ermöglichen.

So funktioniert der TDS-Überspannungsschutz

Ein überspannungsfester Feldeffekttransistor (FET) ist das primäre Schutzelement in einer TDS-Komponente. Wenn ein EOS-Ereignis eintritt und die transiente Spannung die Durchbruchspannung (V_BR) des integrierten Präzisions-Trigger-Schaltkreises übersteigt, wird der Treiberschaltkreis aktiviert und schaltet den FET ein, der die transiente Energie (I_PP) gegen Masse leitet (Abbildung 1).

Abbildung 1: In einem TDS-Bauelement aktiviert ein Präzisions-Trigger-Schaltkreis (links) den spannungsgesteuerten FET-Schalter (rechts), wenn ein EOS-Ereignis erkannt wird, und leitet die Energiespitze (I_PP) direkt auf Masse um (Bildquelle: Semtech)

Wenn der Impulsstrom in Richtung I_PP ansteigt, wird der Durchlasswiderstand des FET (R_DS(ON)) auf einige Milliohm (mΩ) reduziert, und die Klemmspannung (V_C) hat fast den gleichen Wert wie die V_BR der Triggerschaltung. Infolgedessen ist die V_C einer TDS-Komponente über den gesamten I_PP-Bereich nahezu konstant. Dies unterscheidet sich von der Klemmwirkung in einer TVS-Vorrichtung, die wie folgt angegeben wird:

Dabei ist R_dyn der dynamische Widerstand.

In einer TVS-Komponente ist R_dyn ein fester Wert, der bewirkt, dass die Klemmspannung linear mit der Erhöhung von I_PP über den Nennstrombereich ansteigt. Bei einem TDS-Bauteil ist V_C über den Betriebstemperaturbereich sowie den I_PP-Bereich stabil, was zu einem deterministischen EOS-Schutz führt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Klemmspannung ist bei einem TDS-Bauelement wie dem TDS2211P (durchgezogene Linie) über die Temperatur und den I_pp konstant und bietet deterministischen EOS-Schutz. (Bildquelle: Semtech)

Die relativ niedrige V_C der TDS-Komponenten führt zu einer geringeren Beanspruchung der geschützten Bauteile und einer höheren Zuverlässigkeit (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die niedrige V_C (hier als VClamp dargestellt) eines TDS-Bauelements (grüne Kurve) verbessert die Zuverlässigkeit, indem sie die Belastung der geschützten Komponenten reduziert. (Bildquelle: Semtech)

Die Leistung der TDS-Bauteile unterstützt die Entwicklung von Systemen, die die Anforderungen der IEC 61000-4-2 für ESD-Immunität, der IEC 61000-4-4 für Burst/EFT-Immunität (EFT: Electrical Fast Transient) und der IEC 61000-4-5 für Überspannungsfestigkeit erfüllen. Dadurch eignen sich die TDS-Komponenten für eine Reihe von Anwendungen in rauen Umgebungen. In den folgenden Abschnitten werden TDS-Anwendungsbeispiele vorgestellt, darunter eine 22-Volt-TDS-Komponente zum Schutz von Lastschaltern, eine 33-Volt-TDS-Komponente, die für den Schutz von IO-Link-Transceivern geeignet ist, und eine 58-Volt-TDS-Komponente, die zum Schutz von PoE-Installationen verwendet werden kann.

Schutz von Lastschaltern

Lastschalter und Eingänge von elektronischen Sicherungen in Industrieanlagen, Robotern, ferngesteuerten Messgeräten, USB Power Delivery (PD) und IIoT-Geräten können mit dem 22-Volt-TDS2211P vor EOS-Ereignissen geschützt werden. Die EOS-Schutzklassen dieser TDS-Komponente umfassen:

• ESD-Spannungsfestigkeitswerte von ±30 Kilovolt (kV) für Kontakt und Luft, gemäß IEC 61000-4-2
• Impulsspitzenstrombelastbarkeit von 40 Ampere (A) (t_p = 8/20 Mikrosekunden (μs)), gemäß IEC 61000-4-5, und ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; Nebenschlusswiderstand (R_S) = 42 Ω), gemäß IEC 61000-4-5 für unsymmetrische Leitungen
• EFT-Spannungsfestigkeit von ±4 kV (100 Kilohertz (kHz) und 5 kHz, 5/50 Nanosekunden (ns)), gemäß IEC 61000-4-4

In dieser Konfiguration schützt der TDS2211P die nachgeschalteten Komponenten vor Blitzschlag, ESD und anderen EOS-Ereignissen und hält V_C unterhalb der Schadensschwelle des Schalt-FET im Lastschalter (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der TDS2211P kann zum Schutz eines Lastschalters (HS2950P) und nachgeschalteter Komponenten vor Blitzschlag, ESD und anderen EOS-Ereignissen eingesetzt werden. (Bildquelle: Semtech)

IO-Link-Schutz

Zusätzlich zu den allgemeinen ESD- und EOS-Gefährdungen, die in industriellen Umgebungen auftreten, können IO-Link-Transceiver Spannungsspitzen von mehreren tausend Volt ausgesetzt sein, wenn sie in das IO-Link-Master-Gerät eingesteckt oder von diesem getrennt werden. Die TVS-Diode, die normalerweise zum Schutz von IO-Link-Transceivern verwendet wird, kann durch TDS-Bauelemente ergänzt werden, um den Schutz zu verbessern. Für eine typische Stromkreisschutzanwendung werden Komponenten verwendet, die für mindestens 115 % der Eingangsspannung ausgelegt sind. Für eine 24-Volt-Anwendung wie IO-Link eignet sich daher eine 33-Volt-Schutzkomponente wie der TDS TDS3311P. Zu den wichtigsten Spezifikationen des TDS3311P gehören:

• ESD-Spannungsfestigkeit von ±30 kV für Kontakt und Luft, wie in IEC 61000-4-2 gefordert
• Impulsspitzenstrombelastbarkeit von 35 A (t_p = 8/20 μs) und 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), wie in IEC 61000-4-5 für unsymmetrische Leitungen gefordert
• Erfüllt IEC 61000-4-4 für Burst/EFT-Störfestigkeit

Es gibt zwei gängige IO-Link-Anschlusskonfigurationen, 3-polig und 4-polig, die leicht unterschiedliche Schutzmaßnahmen erfordern. In beiden Fällen können die TDS-Komponenten mit einer TVS-Diode µClamp3671P auf der V_BUS-Leitung (L+(24 Volt)) zum Schutz vor Verpolung ergänzt werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Vergleich des ESD-Schutzes mit TDS-Bauteilen (grüne Rechtecke) für einen 3-poligen IO-Link-Anschluss (oben) und einen 4-poligen IO-Link-Anschluss (unten). (Bildquelle: Semtech)

Im Falle einer 3-Pin-Implementierung sind 3 TDS-Komponenten erforderlich. Falls gewünscht, kann der Schutz auch bidirektional erfolgen, indem die beiden TDS3311P gegeneinander geschaltet werden. Wenn eine 4-Pin-Konfiguration verwendet wird, sollten alle vier Pins des IO-Link-Anschlusses sowohl positiven als auch negativen Überspannungen standhalten. Die Tests zur Sicherstellung des Überspannungsschutzes von IO-Link-Transceivern sind zwischen allen Stiftpaaren des Steckers erforderlich und sollten gemäß den Anforderungen von IEC 61000-4-2 für ESD, IEC 61000-4-4 für Burst/EFT und IEC 61000-4-5 für Überspannungen durchgeführt werden.

Schutz für PoE

PoE-Schutzsysteme müssen die Möglichkeit berücksichtigen, dass EOS-Ereignisse im Gleichtakt (in Bezug auf die Erde) oder differenziell (Leitung zu Leitung) auftreten können. PoE liefert Spannungen von 48 Volt, so dass eine 58-Volt-TDS-Komponente wie der TDS5801P verwendet werden kann, um EOS-Schutz auf der RJ-45-Steckerseite zu bieten. Zu den Spezifikationen des TDS5801P gehören:

• ESD-Spannungsfestigkeit: ±15 Kilovolt (kV) (Kontakt) und ±20 kV (Luft) gemäß IEC 61000-4-2
• Impulsspitzenstrombelastbarkeit: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) gemäß IEC 61000-4-5
• EFT-Spannungsfestigkeit von ±4 kV (100 kHz und 5 kHz, 5/50 ns) gemäß IEC 61000-4-4

Die Stromversorgung in einem PoE-System erfolgt über die Mittelabgriffsanschlüsse des Transformators. Die PD-Seite (RJ-45) muss sowohl Mode A (Stromversorgung über die Datenpaare 1 & 2 und 3 & 6) als auch Mode B (Stromversorgung über die Pins 4 & 5 und 7 & 8) schützen, so dass zwei Paare von TDS5801P für den bidirektionalen Schutz über die Mittelabgriffsverbindungen erforderlich sind (Abbildung 6).

Abbildung 6: Back-to-Back-TDS-Komponenten (grün, TDS5801P) bieten bidirektionalen Schutz vor EOS-Ereignissen in einem PoE-System. (Bildquelle: Semtech)

Die Gleichtaktisolierung wird durch den Transformator gewährleistet, schützt aber nicht vor differentiellen Überspannungen. Bei einem differentiellen EOS-Ereignis werden die Transformatorwicklungen auf der Netzseite aufgeladen und Energie auf die Sekundärseite übertragen, bis der Stromstoß endet oder der Transformator in Sättigung geht. Die TDS-Komponenten auf der PD-Seite können durch vier ESD-Schutzkomponenten RClamp3361P ergänzt werden, die sich auf der Ethernet-Physical-Layer-Seite (PHY) des Transformators befinden, um gegen differentielle EOS-Ereignisse zu schützen.

TDS-Komponenten

SurgeSwitch-TDS-Komponenten sind erhältlich, die Entwicklern eine Auswahl an Betriebsspannungen bieten, darunter 22 Volt (TDS2211P), 30 Volt (TDS3011P), 33 Volt (TDS3311P), 40 Volt (TDS4001P), 45 Volt (TDS4501P) und 58 Volt (TDS5801P) (Tabelle 1). Sie erfüllen die Anforderungen der IEC 61000 für den Einsatz in Systemen, die in rauen 5G-Telefonie- und Industrieumgebungen betrieben werden.

Tabelle 1: SurgeSwitch-Komponenten sind mit Spannungswerten von 22 bis 58 Volt für eine Reihe von Anwendungsanforderungen erhältlich. (Bildquelle: Semtech)

Da die TDS-Bauteile Energie nicht in Wärme umwandeln, sondern die Überspannungsenergie über einen niederohmigen Pfad direkt zur Erde ableiten, können sie in einem kleinen 1,6 x 1,6 x 0,55 mm großen Gehäuse untergebracht werden, das im Vergleich zu den SMA- und SMB-Gehäusen, die häufig für andere Überspannungsschutzgeräte verwendet werden, erhebliche Einsparungen bei der Leiterplatte ermöglicht. Das 6-polige DFN-Gehäuse verfügt über drei Eingangsstifte und drei Stifte zur Ableitung der Überspannungsenergie zur Erde (Abbildung 7).

Abbildung 7: TDS-Bauteile werden in einem DFN-Gehäuse mit den Abmessungen 1,6 x 1,6 x 0,55 mm und 6 Anschlüssen (rechts) geliefert; die Pins 1, 2 und 3 sind mit Masse verbunden, während die Pins 4, 5 und 6 den EOS-/ESD-Schutzeingang darstellen. (Bildquelle: Semtech)

Richtlinien für das Platinenlayout

Wenn ein SurgeSwitch-TDS-Bauteil auf einer Leiterplatte platziert wird, müssen alle Massestifte (1, 2 und 3) mit einer einzigen Leiterbahn und alle Eingangsstifte (4, 5 und 6) mit einer einzigen Leiterbahn verbunden werden, um eine maximale Überlaststrombelastbarkeit zu erreichen. Befindet sich die Masse auf einer anderen Ebene der Leiterplatte, wird empfohlen, mehrere Durchkontaktierungen zur Verbindung mit der Masseebene zu verwenden (Abbildung 8). Die Einhaltung dieser Richtlinien für das Leiterplattenlayout minimiert die parasitären Induktivitäten und optimiert die Performance der Komponenten. Außerdem sollte das SurgeSwitch-TDS-Bauteil so nah wie möglich an dem zu schützenden Anschluss oder der zu schützenden Komponente platziert werden. Dies minimiert die Einkopplung von transienter Energie in benachbarte Leiterbahnen und ist besonders wichtig bei EOS-Ereignissen mit schneller Anstiegszeit. Da TDS-Bauteile keine Energie in Wärme umwandeln, ist ein Wärmeleitpad unter dem Bauteil zur Ableitung der Wärmeenergie nicht erforderlich.

Abbildung 8: Für eine optimale Performance wird eine Verbindung mit mehreren Durchkontaktierungen empfohlen, wenn sich die Grundplatte auf einer anderen Ebene der Leiterplatte befindet als das TDS-Bauteil. (Bildquelle: Semtech)

Fazit

Entwickler von Industrie- und 5G-Telefonanlagen, die in rauen Umgebungen betrieben werden, können TDS-Komponenten verwenden, um zuverlässigen und deterministischen Schutz vor ESD- und EOS-Ereignissen zu bieten. Die relativ niedrige V_C der TDS-Komponenten erhöht die Systemzuverlässigkeit, da sie die Belastung der Komponenten reduziert. Diese Bauteile erfüllen die Anforderungen der Norm IEC 61000 für den Transientenschutz und sind in einem Spannungsbereich von 22 bis 58 Volt erhältlich, um die Anforderungen spezifischer Anwendungen zu erfüllen. Ihre kompakte Größe trägt zur Verringerung der Gesamtgröße der Lösung bei, aber die Entwickler müssen einige einfache Anforderungen an das Leiterplattenlayout beachten, um die maximale Performance der TDS-Bauteile zu erreichen.

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