วิธีปรับปรุงการป้องกัน ESD โดยใช้ตัวยับยั้งการเปลี่ยนเส้นทางชั่วคราว

การแพร่กระจายของ Industry 4.0, Industrial Internet of Things (IIoT) และระบบโทรศัพท์ 5G ส่งผลให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความซับซ้อนมากขึ้นถูกปรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงขึ้นและไม่สามารถเข้าถึงได้มากขึ้น สิ่งนี้มีส่วนทำให้ความจำเป็นในการป้องกันแบบทำซ้ำและกำหนดได้จากการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) และเหตุการณ์ไฟฟ้าเกิน (EOS) ในการใช้งาน เช่น หุ่นยนต์อุตสาหกรรม อินเทอร์เฟซ IO-Link เซ็นเซอร์อุตสาหกรรมและอุปกรณ์ IIoT ตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC) และ จ่ายไฟผ่านอีเทอร์เน็ต (PoE) แอปพลิเคชันเหล่านี้ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการป้องกันชั่วคราวของ IEC 61000 แม้ว่าไดโอดระงับแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) จะให้บริการกับนักออกแบบได้ดี มากขึ้นเรื่อยๆ แอปพลิเคชันก็ต้องการการป้องกัน ESD และ EOS ที่น่าเชื่อถือยิ่งขึ้น เป็นแบบเส้นตรง กะทัดรัด และเชื่อถือได้

เพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพและฟอร์มแฟกเตอร์ที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้อุปกรณ์ระงับการเปลี่ยนเส้นทางชั่วคราว (TDS) ที่รวมการจับยึดที่เหนือกว่า ความเป็นเส้นตรง และความเสถียรเหนืออุณหภูมิ เพื่อระดับประสิทธิภาพที่มั่นใจมากขึ้น แทนที่จะกระจายพลังงานกระชากเช่นไดโอด TVS อุปกรณ์ TDS จะโอนพลังงานกระชากไปที่พื้น เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ไม่กระจายพลังงาน อุปกรณ์ TDS จึงอาจมีขนาดเล็กกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกของ TVS ส่งผลให้มีขนาดโซลูชันที่เล็กลง นอกจากนี้ แรงดันแคลมป์ของอุปกรณ์ TDS อาจน้อยกว่าไดโอด TVS ถึง 30% ซึ่งช่วยลดความเครียดของระบบและเพิ่มความน่าเชื่อถือ

บทความนี้อธิบายวิธีการทำงานของอุปกรณ์ TDS และประโยชน์ที่ได้รับจากการใช้งานหลัก จากนั้นจะแนะนำตัวอย่างอุปกรณ์ TDS ในโลกแห่งความเป็นจริงมากมายจากSemtech พร้อมกับแนวทางการจัดวางบอร์ดพีซีเพื่อการใช้งานที่ประสบความสำเร็จ

ระบบป้องกันไฟกระชาก TDS ทำงานอย่างไร

ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามที่มีพิกัดกระแสไฟกระชาก (FET) เป็นองค์ประกอบการป้องกันหลักในอุปกรณ์ TDS เมื่อเกิดเหตุการณ์ EOS และแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะเกินแรงดันพังทลาย (V_BR) ของวงจรทริกเกอร์ความแม่นยำแบบบูรณาการ วงจรไดรฟ์ถูกเปิดใช้งาน โดยเปิด FET ซึ่งนำพลังงานชั่วคราว (I_PP) ลงกราวด์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ในอุปกรณ์ TDS วงจรทริกเกอร์ที่แม่นยำ (ซ้าย) เปิดใช้งานสวิตช์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า FET (ขวา) เมื่อตรวจพบเหตุการณ์ EOS โดยเปลี่ยนเส้นทางพลังงาน (I_PP) ลงกราวด์โดยตรง (แหล่งรูปภาพ: Semtech)

เมื่อกระแสพัลส์พุ่งเข้าหา I_PP , FET บนแนวต้าน (R_{ดีเอส (เปิด)} ) กลายเป็นไม่กี่มิลลิโอห์ม (mΩ) และแรงดันหนีบ (V_C) มีค่าใกล้เคียงกับค่า V_BR ของวงจรทริกเกอร์ ส่งผลให้ V_C ของอุปกรณ์ TDS เกือบจะคงที่ตลอด I_PP แนว ซึ่งแตกต่างจากการจับยึดในอุปกรณ์ TVS ซึ่งกำหนดไว้ดังนี้:

เมื่อ R_dyn คือแนวต้านแบบไดนามิก

ในอุปกรณ์ TVS R_dyn เป็นค่าคงที่ทำให้แรงดันแคลมป์เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงโดยเพิ่มขึ้นใน I_PP มากกว่าช่วงปัจจุบันที่ได้รับการจัดอันดับ สำหรับอุปกรณ์ TDS V_ค มีความเสถียรตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงาน เช่นเดียวกับ I_PP ส่งผลให้มีการป้องกัน EOS ที่กำหนด (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แรงดันแคลมป์คงที่ตลอดอุณหภูมิและ I_pp สำหรับอุปกรณ์ TDS เช่น TDS2211P (เส้นทึบ) ให้การป้องกัน EOS ที่กำหนดได้ (ที่มาของภาพ: Semtech)

V_C ที่ค่อนข้างต่ำของอุปกรณ์ TDS ส่งผลให้เกิดความเครียดน้อยลงในส่วนประกอบที่ได้รับการป้องกันและความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: V_C ต่ำ (ในที่นี้แสดงเป็น VClamp) ของอุปกรณ์ TDS (เส้นสีเขียว) ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยการลดความเครียดบนส่วนประกอบที่ได้รับการป้องกัน (ที่มาของภาพ: Semtech)

ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ TDS รองรับการออกแบบระบบที่ตรงตามข้อกำหนดของ IEC 61000-4-2 สำหรับการป้องกัน ESD, IEC 61000-4-4 สำหรับการป้องกันการระเบิด/ไฟฟ้าอย่างรวดเร็วชั่วคราว (EFT) และ IEC 61000-4-5 สำหรับการป้องกันไฟกระชาก ทำให้อุปกรณ์ TDS เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ส่วนต่อไปนี้แสดงตัวอย่างการใช้งาน TDS รวมถึงอุปกรณ์ TDS 22 โวลต์สำหรับการป้องกันสวิตช์โหลด อุปกรณ์ TDS 33 โวลต์ที่เหมาะสำหรับการป้องกันตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link และอุปกรณ์ TDS 58 โวลต์ที่สามารถใช้เพื่อป้องกันการติดตั้ง PoE

การป้องกันสวิตช์โหลด

สวิตช์โหลดและอินพุตฟิวส์อิเล็กทรอนิกส์ในอุปกรณ์อุตสาหกรรม หุ่นยนต์ เครื่องวัดระยะไกล USB Power Delivery (PD) และอุปกรณ์ IIoT สามารถป้องกันได้จากเหตุการณ์ EOS โดยใช้ TDS2211P 22 โวลต์ ระดับการป้องกัน EOS ของอุปกรณ์ TDS นี้รวมถึง

• ESD ทนต่อพิกัดแรงดันไฟฟ้า ±30 กิโลโวลต์ (kV) สำหรับการสัมผัสและอากาศ ตาม IEC 61000-4-2
• อัตรากระแสพัลส์สูงสุด 40 แอมแปร์ (A) (t_p = 8/20 ไมโครวินาที (μs)) ตาม IEC 61000-4-5 และ ±1 kV (t_p = 1.2/50 μs ความต้านทานการแบ่ง (R_S ) = 42 Ω) ตาม IEC 61000-4-5 สำหรับเส้นที่ไม่สมมาตร
• EFT ทนต่อแรงดันไฟฟ้า ±4 kV (100 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) และ 5 kHz, 5/50 นาโนวินาที (ns)) ตาม IEC 61000-4-4

เมื่อใช้ในการกำหนดค่านี้ TDS2211P จะปกป้องส่วนประกอบดาวน์สตรีมจากฟ้าผ่า, ESD และเหตุการณ์ EOS อื่นๆ และยังช่วยให้ V_C ต่ำกว่าเกณฑ์ความเสียหายของสวิตช์ FET ในสวิตช์โหลด (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: TDS2211P สามารถใช้ป้องกันสวิตช์โหลด (HS2950P) และส่วนประกอบดาวน์สตรีมจากการเกิดฟ้าผ่า ESD และเหตุการณ์ EOS อื่น ๆ (ที่มาของภาพ: Semtech)

การป้องกัน IO-Link

นอกจากอันตรายจาก ESD และ EOS ทั่วไปที่พบในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมแล้ว ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link อาจประสบกับแรงดันไฟกระชากหลายพันโวลต์เมื่อเสียบหรือถอดปลั๊กจากอุปกรณ์หลัก IO-Link โดยทั่วไปแล้วไดโอด TVS ที่ใช้เพื่อป้องกันตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link สามารถเสริมด้วยอุปกรณ์ TDS เพื่อการป้องกันที่ดีขึ้น แอปพลิเคชั่นป้องกันวงจรทั่วไปใช้อุปกรณ์ที่ได้รับการจัดอันดับอย่างน้อย 115% ของแหล่งจ่ายสัญญาณเข้า ดังนั้นสำหรับการใช้งาน 24 โวลต์เช่น IO-Link อุปกรณ์ป้องกัน 33 โวลต์เช่น TDS3311P TDS มีความเหมาะสม ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญของ TDS3311P ประกอบด้วย:

• ESD ทนต่อแรงดันไฟฟ้า ±30 kV สำหรับทั้งการสัมผัสและอากาศ ตาม IEC 61000-4-2
• ความสามารถกระแสพัลส์สูงสุด 35 A (t_พี = 8/20 μs) และ 1 kV (t_พี = 1.2/50 μs, R_S = 42 Ω) ตามที่ IEC 61000-4-5 กำหนดสำหรับเส้นที่ไม่สมมาตร
• ตรงตามมาตรฐาน IEC 61000-4-4 สำหรับภูมิคุ้มกันแบบต่อเนื่อง/EFT

มีการกำหนดค่าพอร์ต IO-Link ทั่วไปสองแบบคือ 3 พินและ 4 พิน ที่ต้องการรูปแบบการป้องกันที่แตกต่างกันเล็กน้อย ในทั้งสองกรณี อุปกรณ์ TDS สามารถเสริมด้วย aไมโครแคลมป์3671P ไดโอด TVS บน V_BUS (L+(24 โวลต์)) สายสำหรับป้องกันขั้วย้อนกลับ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การเปรียบเทียบการป้องกัน ESD โดยใช้อุปกรณ์ TDS (สี่เหลี่ยมสีเขียว) สำหรับพอร์ต IO-Link 3 พิน (ด้านบน) และพอร์ต IO-Link 4 พิน (ด้านล่าง) (ที่มาของภาพ: Semtech)

ในกรณีของการใช้งานแบบ 3 พิน จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ TDS 3 เครื่อง หากต้องการ สามารถให้การป้องกันแบบสองทิศทางโดย TDS3311P สองตัวที่หันเข้าหากัน เมื่อใช้การกำหนดค่าแบบ 4 พิน พินทั้งสี่ของพอร์ต IO-Link ควรทนต่อไฟกระชากทั้งบวกและลบ การทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพการป้องกันไฟกระชากของตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link เป็นสิ่งจำเป็นระหว่างพินทุกคู่บนตัวเชื่อมต่อ และควรทำในระดับที่กำหนดโดย IEC 61000-4-2 สำหรับ ESD, IEC 61000-4-4 สำหรับการระเบิด/EFT และ IEC 61000-4-5 สำหรับไฟกระชาก

การป้องกัน PoE

แผนการป้องกัน PoE ต้องพิจารณาถึงความเป็นไปได้ที่เหตุการณ์ EOS อาจเป็นโหมดทั่วไป (เทียบกับกราวด์) หรือส่วนต่าง (บรรทัดต่อบรรทัด) PoE ส่งพลังงานที่ 48 โวลต์ ดังนั้นอุปกรณ์ TDS 58 โวลต์เช่นTDS5801P สามารถใช้เพื่อป้องกัน EOS ที่ด้านขั้วต่อ RJ-45 ข้อมูลจำเพาะสำหรับ TDS5801P ประกอบด้วย:

• แรงดันไฟฟ้าที่ทนต่อ ESD: ±15 กิโลโวลต์ (kV) (หน้าสัมผัส) และ ±20 kV (อากาศ) ตามความจำเป็นสำหรับ IEC 61000-4-2
• ความสามารถกระแสพัลส์สูงสุด: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_พี = 1.2/50 μs, R_S = 42 Ω ) ตาม IEC 61000-4-5
• EFT ทนต่อแรงดันไฟฟ้า ±4 kV (100 kHz และ 5 kHz, 5/50 ns) ตามที่ IEC 61000-4-4 กำหนด

กำลังไฟฟ้าในระบบ PoE ถูกส่งโดยใช้จุดต่อก๊อกกลางบนหม้อแปลงไฟฟ้า ด้าน PD (RJ-45) ต้องปกป้องทั้งโหมด A (กำลังส่งโดยใช้คู่ข้อมูล 1 & 2 และ 3 & 6) และโหมด B (พิน 4 & 5 และพิน 7 & 8 ส่งกำลัง) ดังนั้น TDS5801P สองคู่คือ จำเป็นสำหรับการป้องกันแบบสองทิศทางทั่วทั้งจุดต่อก๊อกตรงกลาง (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: อุปกรณ์ TDS แบบ Back-to-back (สีเขียว TDS5801P) ให้การป้องกันแบบสองทิศทางจากเหตุการณ์ EOS ในระบบ PoE (ที่มาของภาพ: Semtech)

การแยกโหมดทั่วไปมีให้โดยหม้อแปลงไฟฟ้า แต่ไม่สามารถป้องกันไฟกระชากที่แตกต่างกันได้ ในระหว่างเหตุการณ์ EOS ที่แตกต่างกัน ขดลวดของหม้อแปลงที่ด้านสายจะถูกชาร์จและพลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังด้านทุติยภูมิจนกว่าไฟกระชากจะสิ้นสุดหรือหม้อแปลงอิ่มตัว อุปกรณ์ TDS ที่ด้าน PD สามารถเสริมด้วยอุปกรณ์ป้องกัน RClamp3361P ESD สี่ตัวที่อยู่บนฝั่ง Ethernet Physical Layer (PHY) ของหม้อแปลงเพื่อป้องกันเหตุการณ์ EOS ที่แตกต่างกัน

อุปกรณ์ TDS

อุปกรณ์ SurgeSwitch TDS มีจำหน่ายที่นักออกแบบสามารถเลือกแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน ได้แก่ 22 โวลต์ (TDS2211P) 30 โวลต์ (TDS3011P ), 33 โวลต์ (TDS3311P), 40 โวลต์ (TDS4001P ), 45 โวลต์ (TDS4501P ) และ 58 โวลต์ (TDS5801P) (ตารางที่ 1) ตรงตามข้อกำหนดของ IEC 61000 สำหรับใช้ในระบบที่ทำงานในระบบโทรศัพท์ 5G และสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง

ตารางที่ 1: อุปกรณ์ SurgeSwitch มีระดับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 22 ถึง 58 โวลต์สำหรับข้อกำหนดการใช้งานที่หลากหลาย (ที่มาของภาพ: Semtech)

เนื่องจากอุปกรณ์ TDS นั้นไม่กระจายและเปลี่ยนพลังงานกระชากโดยตรงไปยังกราวด์ผ่านเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำ จึงสามารถบรรจุไว้ในแพ็คเกจขนาดเล็ก 1.6 x 1.6 x 0.55 มม. ซึ่งช่วยประหยัดบอร์ดได้อย่างมากเมื่อเทียบกับแพ็คเกจ SMA และ SMB ที่มักใช้ บ้านอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากอื่น ๆ แพ็คเกจ DFN 6 พินประกอบด้วยพินอินพุต 3 พินและพิน 3 พินสำหรับเปลี่ยนกระแสไฟกระชากลงกราวด์ (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: อุปกรณ์ TDS มาในแพ็คเกจ DFN ขนาด 1.6 x 1.6 x 0.55 มม. พร้อมสาย 6 เส้น (ขวา); พิน 1, 2 และ 3 เชื่อมต่อกับกราวด์ ในขณะที่พิน 4, 5 และ 6 เป็นอินพุตการป้องกัน EOS / ESD (ที่มาของภาพ: Semtech)

แนวทางการจัดวางบอร์ด

เมื่อวางอุปกรณ์ SurgeSwitch TDS บนบอร์ดพีซี พินกราวด์ทั้งหมด (1, 2 และ 3) จะต้องเชื่อมต่อกับการติดตามเดียว และพินอินพุตทั้งหมด (4, 5 และ 6) ต้องเชื่อมต่อกัน ติดตามความสามารถกระแสไฟกระชากสูงสุด หากกราวด์อยู่บนเลเยอร์อื่นของบอร์ดพีซี ขอแนะนำให้ใช้จุดแวะหลายจุดเพื่อเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ (ภาพที่ 8) การปฏิบัติตามแนวทางการจัดวางบอร์ดพีซีเหล่านี้จะช่วยลดการเหนี่ยวนำของปรสิตและเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ นอกจากนี้ ควรวางอุปกรณ์ SurgeSwitch TDS ไว้ใกล้กับขั้วต่อหรืออุปกรณ์ที่จะป้องกันมากที่สุด วิธีนี้ช่วยลดการเชื่อมต่อของพลังงานชั่วคราวที่รอยที่ติดกันของอุปกรณ์ และมีความสำคัญอย่างยิ่งในช่วงเหตุการณ์ EOS ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากอุปกรณ์ TDS จะไม่กระจายพลังงานใด ๆ จึงไม่จำเป็นต้องมีแผ่นความร้อนใต้อุปกรณ์เพื่อนำพลังงานความร้อนออกไป

รูปที่ 8: เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด แนะนำให้เชื่อมต่อกับจุดแวะหลายจุดเมื่อระนาบกราวด์อยู่บนเลเยอร์ที่ต่างกันของบอร์ดพีซีจากอุปกรณ์ TDS (ที่มาของภาพ: Semtech)

สรุป

นักออกแบบอุปกรณ์โทรศัพท์ระดับอุตสาหกรรมและ 5G ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยสามารถหันไปใช้อุปกรณ์ TDS เพื่อให้การป้องกันที่เชื่อถือได้และกำหนดขึ้นเองจากเหตุการณ์ ESD และ EOS V_C ที่ค่อนข้างต่ำของอุปกรณ์ TDS เพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบโดยการลดความเครียดของส่วนประกอบ อุปกรณ์เหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดการป้องกันชั่วคราวของ IEC 61000 และมีช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 22 ถึง 58 โวลต์เพื่อให้ตรงกับข้อกำหนดของการใช้งานเฉพาะ ขนาดกะทัดรัดช่วยลดขนาดโซลูชันโดยรวม แต่นักออกแบบจำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านเลย์เอาต์ของบอร์ดพีซีแบบง่ายๆ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดจากอุปกรณ์ TDS

บทความแนะนำ

1. การใช้คอนเน็กเตอร์สำหรับอีเทอร์เน็ตความเร็วสูงที่ทนทานสำหรับเครือข่ายการสื่อสารทางอุตสาหกรรม
2. วิธีเพิ่มประสิทธิภาพตัวแปลง AC/DC อย่างง่ายดายเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนด EMC ที่หลากหลาย
3. สาเหตุและวิธีการใช้ฟิวส์อิเล็กทรอนิกส์อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อปกป้องวงจรที่ละเอียดอ่อน