כיצד לשפר את הגנת ESD באמצעות משככים מסיטי טרנזיינטים

התפשטות Industry 4.0‏, אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) וטלפוניה 5G מביאות לפריסה של התקנים אלקטרוניים מתוחכמים יותר בסביבות קשות יותר ופחות נגישות. זה תורם לצורך בהגנה עקבית ודטרמיניסטית מפני פריקה אלקטרוסטטית (ESD) ואירועי מאמץ יתר חשמלי (EOS) ביישומים כגון רובוטים תעשייתיים, ממשקי IO-Link, חיישנים תעשייתיים והתקני IIoT, בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC), ו-Power over Ethernet‏ (PoE). יישומים אלה נדרשים כדי לעמוד בדרישות ההגנה מפני טרנזיינטים של IEC 61000. בעוד שדיודות שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS) שירתו היטב את המתכננים, יותר ויותר יישומים דורשים הגנת ESD ו-EOS דטרמיניסטית, ליניארית, קומפקטית ואמינה אף יותר.

כדי לתת מענה לדרישות העולות של הביצועים וגורמי הצורה, המתכננים יכולים לפנות להתקני משכך מסיט טרנזיינטים (TDS) המשלבים הידוק מעולה, ליניאריות ויציבות על פני הטמפרטורה, עבור רמת ביצועים בטוחה יותר. במקום לפזר את אנרגיית הנחשולים כמו דיודת TVS, התקן TDS מסיט את אנרגיית הנחשולים להארקה. מכיוון שהם לא מפזרים את האנרגיה, התקני TDS יכולים להיות קטנים יותר בהשוואה לחלופות TVS, מה שתורם לגדלים קטנים יותר של פתרונות. בנוסף, מתח ההידוק של התקני TDS יכול להיות נמוך ב-30% מזה של דיודות TVS, מה שמפחית את מאמצי המערכת ומשפר את האמינות.

מאמר זה מתאר כיצד פועלים התקני TDS ואת היתרונות שהם מביאים ליישומים העיקריים. לאחר מכן הוא מציג מגוון של דוגמאות מהעולם האמיתי של התקני TDS של Semtech‏ ביחד עם הנחיות פריסת לוח מעגלים מודפסים עבור המימוש המוצלח שלהם.

כיצד פועלת הגנת נחשולי TDS

טרנזיסטור אפקט-שדה (FET) בדירוג-נחשולים הוא אלמנט ההגנה העיקרי בהתקן TDS. כאשר מתרחש אירוע EOS ומתח הטרנזיינט חורג ממתח הפריצה (_BR‏V‏) של מעגל הטריגר המדויק המשולב, מעגל הדחיפה מופעל, ומפעיל את ה-FET המוליך את אנרגיית הטרנזיינט (_PP‏I‏) להארקה (איור 1).

איור 1: בהתקן TDS, מעגל טריגר מדויק (משמאל) מפעיל את המתג מבוקר-המתח FET (מימין) כאשר מתגלה אירוע EOS, ומפנה את שיא האנרגיה (_PP‏I) ישירות להארקה (מקור התמונה: Semtech)

כאשר זרם הפולס עולה לכיוון _PP‏I‏, התנגדות מצב-מופעל (_(ON‏)DS‏R‏) הופכת למעט מילי-אוהם (mΩ), ומתח ההידוק (_C‏V‏) כמעט זהה לערך ה-_BR‏V‏ של מעגל הטריגר. כתוצאה מכך, ה- _C‏V‏ של התקן TDS כמעט קבוע על פני תחום ה-_PP‏I‏. זה שונה מפעולת ההידוק בהתקן TVS, הניתנת כ:

כאשר _dyn‏R‏ היא ההתנגדות הדינמית.

בהתקן TVS‏, _dyn‏R‏ הוא ערך קבוע הגורם למתח ההידוק לעלות באופן ליניארי עם עליות ה-_PP‏I‏ על פני תחום הזרם הנומינלי. עבור התקן TDS‏, ה-_C‏V‏ הוא יציב על פני תחום טמפרטורת הפעולה, כמו גם תחום ה-_PP‏I‏, וכתוצאה מכך הגנת EOS היא דטרמיניסטית (איור 2).

איור 2: מתח ההידוק הוא קבוע על פני הטמפרטורה וה-_PP‏I‏ עבור התקן TDS‏, כגון ה-TDS2211P‏ (הקו השלם), ומספק הגנת EOS דטרמיניסטית. (מקור התמונה: Semtech)

ה-_C‏V‏ הנמוך יחסית של התקני TDS גורם למאמצים נמוכים יותר על הרכיבים המוגנים ולשיפור האמינות (איור 3).

איור 3: ה-_C‏V‏ הנמוך (מוצג כאן כ-VClamp) של התקן TDS (הקו הירוק) משפר את האמינות על ידי הפחתת המאמצים על הרכיבים המוגנים. (מקור התמונה: Semtech)

ביצועי התקני TDS תומכים בתכנים של מערכות העומדות בדרישות של IEC 61000-4-2 עבור חסינות ESD‏, IEC 61000-4-4‏ עבור חסינות לטרנזיינטים מהירים חשמליים (EFT)/פרצים ו-IEC 61000-4-5 עבור חסינות לנחשולים. זה הופך את התקני TDS למתאימים לשימוש במגוון של יישומים בסביבות קשות. הסעיפים הבאים מציגים דוגמאות ליישום TDS כולל התקן TDS‏ 22 וולט עבור הגנה על מתג עומס, התקן TDS‏ 33 וולט המתאים עבור הגנה על מקמ"ש IO-Link, והתקן TDS‏ 58 וולט שניתן להשתמש בו כדי להגן על התקנות PoE.

הגנה על מתגי עומס

ניתן להגן על מתגי עומס וכניסות e-fuse בציוד תעשייתי, רובוטיקה, מונים מרוחקים, (USB Power Delivery (PD ו-IIoT מפני אירועי EOS באמצעות ה-TDS2211P‏ 22 וולט. דירוגי הגנת EOS של התקן TDS זה כוללים:

• מתח עמידות ESD‏ נומינלי של 30‏± קילו-וולט (kV‏) עבור מגעים ואוויר, לפי IEC61000-4-2‏
• זרם פולס שיא נומינלי של 40 אמפר (A‏) (_p‏t‏ = 8/20 מיקרו-שניות (μs)), לפי IEC 61000-4-5, ו-kV‏ 1‏± (_p‏t‏ = μs‏ 1.2/50‏; התנגדות מצד (Shunt‏) (_S‏R‏ = Ω‏ 42‏), לפי IEC 61000-4-5 עבור קווים לא-סימטריים
• מתח עמידות EFT‏ של kV‏ 4‏± (100 קילו-הרץ (kHz‏) ו-kHz‏ 5‏, 5/50 ננו-שניות (ns‏)), לפי IEC 61000-4-4

בשימוש בתצורה זו, ה-TDS2211P‏ מגן על רכיבים במורד הזרם מפני אירועי ברקים, ESD ו-EOS אחרים, והוא גם שומר על ה-_C‏V‏ מתחת לסף הנזק של FET המיתוג שבמתג העומס (איור 4).

איור 4: ניתן להשתמש ב-TDS2211P כדי להגן על מתג עומס (HS2950P) והרכיבים במורד הזרם מפני אירועי ברקים, ESD ו-EOS אחרים. (מקור התמונה: Semtech)

הגנת IO-Link

בנוסף לסכנות הכלליות של ESD ו-EOS המצויות בסביבות תעשייתיות, מקמ"שי IO-Link יכולים לחוות עליות מתח של כמה אלפי וולט כאשר הם מחוברים או מנותקים מהתקן המאסטר של IO-Link. לדיודת TVS המשמשת בדרך כלל להגנה על מקמ"שי IO-Link ניתן להוסיף התקני TDS עבור הגנה משופרת. יישום הגנת מעגלים טיפוסי משתמש בהתקנים בדירוג של לפחות 115% ממתח ההספקה בכניסה, כך שעבור יישום של 24 וולט כמו IO-Link מתאים התקן הגנה של 33 וולט כמו ה-TDS‏ TDS3311P‏. המפרטים העיקריים של TDS3311P כוללים:

• מתח עמידות ESD‏ של 30‏± קילו-וולט (kV‏) עבור מגעים ואוויר, כנדרש לפי IEC61000-4-2‏
• יכולת זרם פולס שיא של 35 אמפר (A‏) _p‏t‏ = 8/20 מיקרו-שניות (μs), ו-kV‏ 1‏± (_p‏t‏ = μs‏ 1.2/50‏, (_S‏R‏ = Ω‏ 42‏), כנדרש לפי IEC 61000-4-5 עבור קווים לא-סימטריים
• עומד בתקן IEC 61000-4-4 עבור חסינות EFT‏/פרצים

ישנן שתי תצורות נפוצות של נקודות-חיבור IO-Link‏, 3 פינים ו-4 פינים, הדורשות תוכניות הגנה שונות במעט. בשני המקרים ניתן להוסיף להתקני TDS דיודת TVS‏ µClamp3671P‏ על קו _BUS‏V‏ (L‏+(24 וולט)) עבור הגנת קוטביות הפוכה (איור 5).

איור 5: השוואה של הגנת ESD באמצעות התקני TDS (מלבנים ירוקים) עבור נקודות-חיבור IO-Link‏ 3 פינים (למעלה) ו-4 פינים (למטה). (מקור התמונה: Semtech)

במקרה של מימוש 3 פינים, נדרשים 3 התקני TDS. אם נדרשת, ניתן לספק הגנה דו-כיוונית על ידי שני רכיבי TDS3311P זה מול זה. כאשר משתמשים בתצורה של 4 פינים, כל ארבעת הפינים של נקודת-חיבור ה-IO-Link אמורים לעמוד בפני נחשולים חיוביים ושליליים כאחד. יש צורך בבדיקות כדי להבטיח את ביצועי הגנת הנחשולים של מקמ"שי IO-Link בין כל זוגות הפינים שבמחבר ויש לבצע אותם ברמות הנדרשות לפי IEC 61000-4-2 עבור ESD‏, IEC 61000-4-4 עבור EFT/פרצים, ו-IEC 61000-4-5 עבור נחשולים.

הגנה על PoE

תוכניות הגנת PoE חייבות לשקול את האפשרות שאירועי EOS יכולים להיות באופן-משותף (ביחס להארקה) או באופן דיפרנציאלי (קו לקו). PoE מספק מתח של 48 וולט, כך שניתן להשתמש בהתקן TDS של 58 וולט כמו TDS5801P‏ כדי לספק הגנת EOS בצד מחבר RJ-45. המפרטים עבור TDS5801P כוללים:

• מתח עמידות ESD‏: kV‏ 15‏± (מגעים), kV‏ 20‏± (אוויר) כנדרש לפי IEC61000-4-2
• יכולת זרם פולס שיא של 20 אמפר (A‏) _p‏t‏ = 8/20 מיקרו-שניות (μs), ו-kV‏ 1‏± (_p‏t‏ = μs‏ 1.2/50‏, (_S‏R‏ = Ω‏ 42‏), לפי IEC 61000-4-5
• מתח עמידות EFT‏ של kV‏ 4‏± (kHz‏ 100‏ ו-kHz‏ 5‏, ns‏ 5/50), כנדרש לפי IEC 61000-4-4

הספקת-הכוח במערכת PoE מסופקת באמצעות חיבורי הסעף המרכזיים בשנאי. הצד של (PD (RJ-45 חייב להגן הן על אופן A (ההספק מועבר באמצעות זוגות קווי הנתונים 1 ו-2 ו-3 ו-6) והן על אופן B (פינים 4 ו-5 ופינים 7 ו-8 מעבירים את ההספק), כך ששני זוגות של TDS5801P נדרש להגנה דו-כיוונית על פני חיבורי הסעף המרכזיים (איור 6).

איור 6: התקני TDS גב-אל-גב (ירוק, TDS5801P) מספקים הגנה דו-כיוונית מפני אירועי EOS במערכת PoE. (מקור התמונה: Semtech)

בידוד אופן-משותף מסופק על ידי השנאי, אך הוא אינו מגן מפני נחשולים דיפרנציאליים. במהלך אירוע EOS דיפרנציאלי, ליפופי השנאי בצד הקו נטענים והאנרגיה מועברת לצד השניוני עד שהנחשול מסתיים או שהשנאי מגיע לרוויה. ניתן להוסיף התקני TDS בצד ה-PD עם ארבעה התקני הגנת RClamp3361P ESD הממוקמים בצד השכבה הפיזית (PHY) של Ethernet‏ של השנאי כדי להגן מפני אירועי EOS דיפרנציאליים.

התקני TDS‏

קיימים התקני SurgeSwitch TDS‏ המציעים למתכננים מבחר של מתחי פעולה, כולל 22 וולט (TDS2211P‏), 30 וולט (TDS3011P‏), 33 וולט (TDS3311P‏), 40 וולט (TDS4001P‏), 45 וולט (TDS4501P‏) ו-58 וולט (TDS5801P‏) (טבלה 1‏). הם עומדים בדרישות של IEC 61000 לשימוש במערכות הפועלות בסביבות טלפוניה 5G קשות ובסביבות תעשייתיות.

טבלה 1: התקני SurgeSwitch זמינים עם דירוגי מתח מ-22 עד 58 וולט עבור מגוון של דרישות יישומים. (מקור התמונה: Semtech)

מכיוון שהתקני TDS אינם מפזרים חום אלא מסיטים את אנרגיית הנחשול ישירות להארקה דרך נתיב של אימפדנס נמוך, ניתן לשים אותם בתוך מארז קטן בגודל של ‎1.6 x 1.6 x 0.55 מ"מ המציע חיסכון מקום משמעותי על הלוח לעומת מארזי SMA ו-SMB המשמשים לרוב עבור התקני הגנת נחשולים אחרים. מארז DFN עם 6 פינים כולל שלושה פיני כניסה ו-3 פינים עבור הסטת אנרגיית הנחשול להארקה (איור 7).

איור 7: התקני TDS מגיעים במארז DFN בגודל של ‎1.6 x 1.6 x 0.55 מ"מ עם 6 מוליכים (מימין); פינים 1, 2 ו-3 מתחברים להארקה בעוד שפינים 4, 5 ו-6 הם כניסות הגנת EOS / ESD. (מקור התמונה: Semtech)

הנחיות לפריסת הלוח

כאשר ממקמים התקן SurgeSwitch TDS על לוח מעגלים מודפסים, יש לחבר את כל פיני ההארקה (1, 2 ו-3) לפס-מוליך אחד, ואת כל פיני הכניסה (4, 5 ו-6) יש לחבר לפס-מוליך אחד עבור יכולת זרם נחשול מקסימלית. אם ההארקה נמצאת בשכבה אחרת של לוח המעגלים המודפסים, מומלץ להשתמש במספר מעברים (Vias‏) כדי להתחבר למשטח ההארקה (איור 8). הקפדה על הנחיות פריסת לוח מעגלים מודפסים אלה מקטינה למינימום השראויות פרזיטיות וממטבת את ביצועי ההתקן. בנוסף, יש למקם את התקני SurgeSwitch TDS קרוב ככל האפשר למחבר או להתקן עליו יש להגן. זה מקטין למינימום כל צימוד של אנרגיית טרנזיינטים לפסים מוליכים סמוכים וזה חשוב במיוחד בזמן אירועי EOS‏ עם זמן עלייה מהיר. מכיוון שהתקני TDS אינם מפזרים אנרגיה כלשהי, אין צורך בפד תרמי מתחת להתקן כדי לסלק אנרגיה תרמית.

איור 8: עבור ביצועים אופטימליים, מומלץ חיבור עם מספר מעברים (Vias‏) כאשר משטח ההארקה נמצא על שכבה שונה של לוח המעגלים המודפסים מזו של התקן ה-TDS. (מקור התמונה: Semtech)

סיכום

המתכננים של ציוד טלפוניה תעשייתי ו-5G הפועל בסביבות קשות יכולים לפנות להתקני TDS כדי לספק הגנה אמינה ודטרמיניסטית מפני אירועי ESD ו-EOS. ה-_C‏V הנמוך יחסית של התקני TDS משפר את אמינות המערכת על ידי הפחתת המאמצים על הרכיבים. התקנים אלה עומדים בדרישות הגנת טרנזיינטים של IEC 61000 וזמינים במגוון של מתחים מ-22 עד 58 וולט כדי להתאים לדרישות של יישומים ספציפיים. הגודל הקומפקטי שלהם עוזר להקטין את גודל הפתרון הכולל, אך המתכננים צריכים לעקוב אחר כמה דרישות פשוטות של פריסת לוח המעגלים המודפסים כדי לממש את הביצועים המקסימליים מהתקני TDS.

קריאה מומלצת

1. שימוש במחברי Ethernet במהירות-גבוהה מחוזקים לעמידות עבור רשתות תקשורת תעשייתיות
2. כיצד למטב בקלות ממירי AC/DC כדי לעמוד במגוון רחב של דרישות EMC
3. מדוע וכיצד להשתמש ביעילות בנתיכים אלקטרוניים כדי להגן על מעגלים רגישים