原創：Jeff Shepard＠DigiKey得捷電子
隨著工業4.0、工業物聯網 (IIoT) 和5G電話技術的普及，使得越來越多複雜的電子設備部署在更惡劣、更難進入的環境中。這有助於在工業機器人、IO-Link介面、工業感測器和IIoT設備、可編程邏輯控制器 (PLC) 和乙太網供電 (PoE) 等應用中進行可重複的、確定性靜電放電 (ESD) 和電氣過應力 (EOS) 事件保護。這些應用需要滿足IEC61000標準的瞬態保護要求。雖然瞬態電壓抑制 (TVS) 二極體能很好地滿足設計人員的要求，但越來越多的應用需要更確定、更線性、更緊湊和更可靠的ESD和EOS保護。
為了滿足這些不斷提高的性能和外形尺寸要求，可以採用瞬態分流抑制器 (TDS) 器件。這種器件同時具有卓越的箝位、線性和溫度穩定性，可獲得更有保證的性能水平。TDS器件不像TVS二極體那樣耗散浪涌能量，而是將這種能量轉移到地。與TVS替代品相比，TDS不會耗散能量，因此其尺寸可以更小，這有助於縮小解決方案尺寸。此外，TDS器件的鉗位電壓會比TVS二極體低30%，因此減少了系統的電氣應力，提高了可靠性。
本文將介紹TDS器件如何工作及其給關鍵應用帶來的好處。然後，以Semtech的TDS器件為例進行介紹並給出成功應用這些器件的PCB布局指南。
TDS浪涌保護器如何工作
浪涌級場效應晶體管 (FET) 是TDS器件中的主要保護元件。當發生EOS事件且瞬態電壓超過集成精密觸發器電路的擊穿電壓 (VBR) 時，驅動電路被激活，場效應管導通，將瞬態能量 (IPP) 傳導至地（圖1） 。
圖片來源：Semtech
圖1：在TDS器件中，當檢測到EOS事件時，精密觸發器電路（左）會激活FET壓控開關（右），將能量尖峰 (IPP) 直接轉移至地
隨著脈衝電流增大至IPP，FET的導通電阻 (RDS(ON)) 變成幾個毫歐 (mΩ) ，鉗位電壓 (VC) 與觸發電路的VBR幾乎相同。因此，TDS器件的VC在IPP範圍內幾乎是恆定的。這與TVS裝置中的箝位作用不同，後者已知：
其中Rdyn是動態電阻。
在TVS設備中，Rdyn 值固定，使得箝位電壓在額定電流範圍內隨著IPP的增加而線性增加。對於TDS器件來說，VC 在工作溫度以及IPP範圍內都是穩定的，從而實現了決定性的EOS保護（圖2） 。
圖片來源：Semtech
圖2：對於如TDS2211P（實線部分）之類TDS器件，鉗位電壓在溫度和Ipp的範圍內保持恆定，從而提供確定的EOS保護。
TDS器件的VC相對較低，因此被保護器件不僅受到的電氣應力也較低，而且提高了可靠性（圖3） 。
圖片來源：Semtech
圖3：TDS器件的低VC（此處用VClamp 表示，綠色曲線）通過減小受保護器件所受的電氣應力來提高可靠性。
TDS器件的性能支持滿足多個標準要求的系統設計：IEC 61000-4-2標準的ESD抗擾度要求、IEC 61000-4-4標準的猝發/電氣快速瞬變 (EFT) 抗擾度要求，以及IEC 61000-4-5標準的浪涌抗擾度要求。這使得TDS器件適合許多惡劣環境下的應用。下文將介紹TDS的應用實例，包括用於保護負載開關的22V TDS器件、適合保護IO-Link收發器的33V TDS器件，以及可用於保護PoE裝置的58 V TDS器件。
保護負載開關
使用22 V TDS2211P可以保護工業設備、機器人、遠程儀錶、USB電力傳輸 (PD) 和IIoT設備中的負載開關、電子保險絲輸入免受EOS事件的影響。該TDS器件的EOS保護等級包括：
- 接觸和空氣的ESD耐受電壓等級為±30kV，符合IEC61000-4-2標準要求
- 峰值脈衝的額定電流為40A (tp = 8/20μs)，符合IEC 61000-4-5標準要求；±1kV（tp = 1.2/50μs、分流電阻 (RS) = 42Ω），符合IEC 61000-4-5標準要求，適用於非對稱線路
- EFT耐受電壓為±4 kV（100kHz和5kHz、5/50ns），符合IEC 61000-4-4標準
當採用這種配置時，TDS2211P可以保護下游器件免受雷擊、ESD和其他EOS事件的影響，該器件還可保持VC低於負載開關中開關FET的損壞閾值（圖4） 。
圖片來源：Semtech
圖4：TDS2211P可用於保護負載開關 (HS2950P) 和下游器件免受雷電、ESD和其他EOS事件的影響。
I0-Link保護
除了在工業環境中發生的常見ESD和EOS危險外，將I0-Link收發器插入I0-Link主設備或從這些設備上拔出時，可能會遇到數千伏的電壓尖峰。通常用於保護I0-Link收發器的TVS二極體可以用TDS器件來補充，以提升保護性能。在典型的電路保護應用中，所用器件的額定值至少為輸入電源的115%，因此對於I0-Link之類的24V應用，選用像TDS3311P TDS這樣的33V保護器件是合適的。TDS3311P的主要規格如下：
- 接觸和空氣的ESD耐受電壓為±30kV，符合IEC61000-4-2標準的要求
- 峰值脈衝電流能力為35A (tp = 8/20 μs) ，以及1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42Ω) ，符合IEC61000-4-5標準的非對稱線路要求
- 符合IEC61000-4-4標準的猝發/EFT抗擾度要求
有兩種常見的I0-Link埠配置，即3引腳和4引腳。這兩種配置需要稍有不同的保護方案。在這兩種情況下，TDS器件可以在VBUS (L+ (24V)) 線路上補充一個 µClamp3671P TVS二極體，以提供反極性保護（圖5）。
圖片來源：Semtech
圖5：使用TDS器件（綠色矩形）針對3引腳I0-Link埠（頂部）和4引腳I0-Link埠（底部）的ESD保護的比較。
在3引腳情況下，需要3個TDS器件。如需要，可以通過兩個面對面的TDS3311P來提供雙向保護。在4引腳情況下，I0-Link埠的所有四個針腳應均能承受正負浪涌。連接器的每對引腳間都需要進行測試，以確保I0-Link收發器的浪涌保護性能，並應按照IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4猝發/EFT和IEC 61000-4-5浪涌的要求水平進行測試。
PoE保護
PoE保護方案必須考慮EOS事件可能是共模（相對於地）或差分（線對線）的情況。PoE的供電電壓為48V，因此像TDS5801P這樣的58V TDS器件可用於在RJ-45連接器一側提供EOS保護。TDS5801P的規格如下：
- ESD耐受電壓：±15kV（接觸）和±20kV（空氣） ，符合IEC61000-4-2標準的要求
- 峰值脈衝電流能力：20A (tp = 8/20 μs) ，1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42 Ω) ，符合IEC61000-4-5標準的的要求
- 根據IEC61000-4-4的要求，EFT耐受電壓為±4kV（100kHz和5kHz、5/50ns）
PoE系統中的電源是通過變壓器的中心抽頭連接來提供的。PD (RJ-45) 端必須同時保護模式A（通過數據對1和2、數據對3和6提供電源）和模式B（通過引腳4和引腳5以及引腳7和引腳8提供電源) ，因此需要兩對TDS5801P來實現跨中心抽頭連接的雙向保護（圖6） 。
圖片來源：Semtech
圖6：背對背TDS器件（綠色，TDS5801P）在PoE系統中提供雙向保護，防止EOS事件。
變壓器提供了共模隔離，但不能提供差分浪涌保護。在差動EOS事件中，線路側的變壓器繞組被充電，能量轉移到二次側，直到浪涌結束或變壓器飽和。PD側的TDS器件可以用位於變壓器的乙太網物理層 (PHY) 側的四個RClamp3361P ESD保護器件進行補充，防止差分EOS事件。
TDS器件
SurgeSwitch TDS器件為設計人員提供了多種工作電壓選擇，包括22 V (TDS2211P) 、30V (TDS3011P) 、33V (TDS3311P) 、40V (TDS4001P) 、45V (TDS4501P) 和58V (TDS5801P) （表1） 。這些器件滿足 IEC61000 標準的要求，可用於那些在惡劣的5G電話和工業環境中運行的系統。
表1：SurgeSwitch器件的額定電壓為22V至58V，可滿足許多應用要求。（圖片來源：Semtech）
由於TDS器件是非耗散性器件，而是通過低阻抗路徑將浪涌能量直接轉移到地面，因此可以採用1.6 x 1.6 x 0.55mm的小型封裝中，相比其他浪涌保護器件通常採用的SMA和SMB封裝，可以顯著節省電路板空間。具有6個引腳的DFN封裝包括3個輸入引腳和3個用於將浪涌能量轉移到地的引腳（圖7） 。
圖片來源：Semtech
圖7：TDS器件採用1.6 x 1.6 x 0.55mm的DFN封裝，有6根引線（右）；1、2、3號引腳接地，而4、5、6號引腳用作EOS/ESD保護輸入。
電路板布局指南
當在電路板上安裝SurgeSwitch TDS器件時，其所有接地引腳（1、2和3）都必須連接到同一印製線上，所有的輸入引腳（4、5和6）也必須連接到同一印製線，以獲得最大的浪涌電流能力。如果接地線位於電路板的不同層，強烈建議使用多個通孔與地平面連接（圖8） 。按照這些PC板布局指南，可以最大限度地減少寄生電感並優化器件性能。此外，SurgeSwitch TDS器件應儘可能地靠近受保護的連接器或器件。這會把瞬時能量與印製線的耦合降至最低，這在快速上升時間EOS事件中尤其重要。由於TDS器件不會耗散任何能量，因此不需要在器件下方設置導熱墊來傳導熱能。
圖8：當接地平面位於電路板的不同層時，為獲得最佳性能，建議採用多個通孔進行連接。（圖片來源：Semtech）
本文小結
對於設計在惡劣環境下工作的工業和5G電話設備的設計人員來說，可以採用TDS器件，以提供可靠、確定的ESD和EOS事件保護。TDS器件的VC相對較低，通過減少元器件的電氣應力來提高系統可靠性。這些器件符合IEC61000標準的瞬態保護要求，並有22V至58V電壓範圍，可滿足特定應用的要求。TDS器件體積小巧，有助於減少整體解決方案的尺寸，但設計人員需要遵循一些簡單的PC板布局要求，以發揮TDS器件的最大性能。
最後，如果你喜歡這篇文章，快分享給更多的小夥伴吧! 切記點個贊哦!
