如何使用暫態轉移抑制器提升 ESD 防護

工業 4.0、工業物聯網 (IIoT) 和 5G 電話的普及促使更惡劣和更難以存取的環境中部署更複雜的電子裝置。因此需在各種應用中針對靜電放電 (ESD) 和過度電性應力 (EOS) 事件提供可重複和確定性的防護，例如工業機器人、IO-Link 介面、工業感測器和 IIoT 裝置、可編程邏輯控制器 (PLC)、乙太網路供電 (PoE)。這些應用需要滿足 IEC 61000 的暫態防護要求。雖然暫態電壓抑制 (TVS) 二極體可為設計人員提供良好的效果，但越來越多應用需要更高確定性、線性、緊湊和可靠的 ESD 和 EOS 防護。

設計人員可以改用暫態轉移抑制器 (TDS) 元件，滿足這些不斷提高的效能和外形尺寸需求。此類元件結合卓越的箝位、線性度和溫度穩定性，可提供更可靠的效能水準。TDS 元件與 TVS 二極體不同，不會耗散突波能量，而是將突波能量轉移接地。TDS 元件由於不用將能量耗散，因此與 TVS 替代方案相比，尺寸更小，可縮減解決方案尺寸。此外，TDS 元件的箝位電壓可以比 TVS 二極體低 30%，進而降低系統應力並提高可靠性。

本文介紹 TDS 元件的運作方式，以及對關鍵應用的優勢。接著介紹 Semtech 的各種實際 TDS 元件範例，以及成功應用的 PC 板佈局指南。

TDS 突波防護工作原理

突波等級場效電晶體 (FET) 是 TDS 元件中的主要防護元件。發生 EOS 事件且暫態電壓超過整合的精密觸發電路崩潰電壓 (V_BR) 時，會啟動驅動電路，導通FET，將暫態能量 (I _PP) 接地 (圖 1)。

圖 1：在 TDS 元件中，精密觸發電路 (左) 偵測到 EOS 事件時會啟動 FET 壓控開關 (右)，進而轉移能量尖波 (I _PP) 直接接地 (圖片來源：Semtech)

隨著脈衝電流上升至 I_PP ，FET 導通電阻 (R_DS(ON)) 變為幾毫歐 (mΩ)，且箝位電壓 (V_C ) 與觸發電路 V_BR 的值幾乎相同。因此，TDS 元件的 V_C 在 I_PP 範圍內幾乎是恆定的。這與 TVS 元件中的箝位動作不同，如下所示：

其中 R_dyn 是動態電阻。

在 TVS 元件中，R_dyn 是一個固定值，導致箝位電壓在額定電流範圍內隨著 I_PP 的增加而線性增加。TDS 元件的 V_C 在工作溫度範圍內以及 I_PP 範圍內保持穩定，可達到確定性 EOS 防護 (圖 2)。

圖 2：TDS 元件 (如 TDS2211P (實心線)) 的箝位電壓在整個溫度範圍和 I_pp 保持恆定，提供確定性的 EOS 防護。(圖片來源：Semtech)

TDS 元件的 V_C 相對較低，可降低受保護組件的應力並提高可靠性 (圖 3)。

圖 3：TDS 元件 (綠色跡線) 的低 V_C (此處為 VClamp) 透過減少受保護組件上的壓力來提高可靠性。(圖片來源：Semtech)

TDS 元件的效能支援滿足 IEC 61000-4-2 ESD 耐受性、IEC 61000-4-4 突發／電氣快速暫態 (EFT) 耐受性和 IEC 61000-4-5 突波耐受性要求的系統設計。這能讓 TDS 元件適用於惡劣環境中的各種應用。以下介紹 TDS 應用範例，包括用於負載開關防護的 22 V TDS 元件、適用於 IO-Link 收發器防護的 33 V TDS 元件以及可用於防護 PoE 裝置的 58 V TDS 元件。

保護負載開關

使用 22 V TDS2211P 可以保護工業設備、機器人、遠端儀表、USB 供電 (PD) 和 IIoT 裝置中的負載開關和電子保險絲輸入免受 EOS 事件影響。此 TDS 元件的 EOS 防護等級包括：

• 依據 IEC 61000-4-2，接觸和空氣的 ESD 耐受電壓額定值為 ±30 kV
• 峰值脈衝電流額定值為 40 A (t_p = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 和 ±1 kV (t_p = 1.2/50 μs；分流電阻 (R_S) = 42 Ω)，依據 IEC 61000-4-5，用於非對稱線路
• EFT 耐受電壓為 ±4 kV (100 kHz 和 5 kHz、5/50 ns)，符合 IEC 61000-4-4

TDS2211P 在此配置中使用，可保護下游組件免受雷擊、ESD 和其他 EOS 事件的影響，還可讓 V_C 保持在負載開關中切換 FET 的損壞閾值內 (圖 4)。

圖 4：TDS2211P 可用於保護負載開關 (HS2950P) 和下游組件免受雷擊、ESD 和其他 EOS 事件的影響。(圖片來源：Semtech)

IO-Link 保護

除了工業環境的一般 ESD 和 EOS 危害，IO-Link 收發器在插入或拔出 IO-Link 主裝置時可能會遭受數千伏特的電壓尖波。通常用於保護 IO-Link 收發器的 TVS 二極體可以輔以 TDS 元件以提高防護效能。典型的電路防護應用使用額定至少為 115% 輸入電源的元件，因此對於 IO-Link 這類 24 V 應用，適合使用 TDS3311P TDS 33 V 防護元件。TDS3311P 的主要規格包括：

• 接觸和空氣 ESD 耐受電壓為 ±30 kV，符合 IEC 61000-4-2 的要求
• 峰值電流能力為 35 A (t_p = 8/20 μs) 和 1 kV (t_p = 1.2/50 μs、R_S = 42 Ω)，符合 IEC 61000-4-5 對於不對稱線路的要求
• 符合 IEC 61000-4-4 的突發／EFT 耐受性

兩種常見的 IO-Link 連接埠配置包含 3 引腳和 4 引腳，需要稍微不同的防護方案。在這兩種情況下，TDS 元件都可以在 V_BUS (L+(24 V)) 線路上添加一個 µClamp3671P TVS 二極體，提供反轉極性防護 (圖 5)。

圖 5：使用 TDS 元件 (綠色矩形) 對 3 引腳 IO-Link 連接埠 (上) 和 4 引腳 IO-Link 連接埠 (下) 進行 ESD 防護的比較。(圖片來源：Semtech)

實作 3 引腳時，需要 3 個 TDS 元件。如果需要，可以透過兩個相互面對的 TDS3311P 提供雙向防護。使用 4 引腳配置時，IO-Link 連接埠的所有四個引腳會承受正向和負向突波。必須對連接器上的所有引腳對之間進行測試，確保 IO-Link 收發器的突波防護效能，並且應達到針對 ESD 的 IEC 61000-4-2、針對突發／EFT 的 IEC 61000-4-4，以及 IEC 61000-4-5 突波要求的級別。

PoE 保護

PoE 保護方案必須考慮 EOS 事件可能是共模 (相對於接地) 或差動 (線對線)。PoE 提供 48 V 電力，因此可以使用 TDS5801P 等 58 V TDS 元件，在 RJ-45 連接器側提供 EOS 防護。TDS5801P 的規格包括：

• ESD 耐受電壓：依據 IEC 61000-4-2 的要求，±15 kV (kV) (接觸) 和 ±20 kV (空氣)
• 峰值脈衝電流能力：20 A (t_p = 8/20 μs)、1 kV (t_p = 1.2/50 μs、R_S = 42 Ω) 符合 IEC 61000-4-5
• 符合 IEC 61000-4-4 要求的 ±4 kV (100 kHz 和 5 kHz、5/50 ns) 的 EFT 耐受電壓

PoE 系統中的電源由連接變壓器上的中心分接頭提供。PD (RJ-45) 側必須保護模式 A (使用數據對 1 和 2 以及 3 和 6 供電) 和模式 B (引腳 4 和 5 以及引腳 7 和 8 供電)，因此兩對 TDS5801P 需要跨中心分接頭連接的雙向防護 (圖 6)。

圖 6：背靠背 TDS 元件 (綠色、TDS5801P) 在 PoE 系統中針對 EOS 事件提供雙向防護。(圖片來源：Semtech)

變壓器提供共模隔離，但不能為差動突波提供防護。發生差動 EOS 事件時，線路側的變壓器繞組會充電，能量被轉移到二次側，直到突波結束或變壓器飽和。PD 側的 TDS 元件可以補充四個位於變壓器乙太網路實體層 (PHY) 側的 RClamp3361P ESD 防護元件，在發生差動 EOS 事件時提供防護。

TDS 元件

SurgeSwitch TDS 元件提供設計人員多種工作電壓，包括 22 V (TDS2211P)、30 V (TDS3011P)、33 V (TDS3311P)、40 V (TDS4001P)、45 V (TDS4501P)、58 V (TDS5801P) (表 1)。這些元件符合 IEC 61000 的要求，適用於在惡劣的 5G 電話和工業環境中運作的系統。

表 1：SurgeSwitch 元件的額定電壓範圍為 22 至 58 V，可滿足各種應用要求。(圖片來源：Semtech)

由於 TDS 元件是非耗散元件，並透過低阻抗路徑將突波能量直接轉移接地，因此可以納入 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 小型封裝中，相較於 SMA 和 SMB 等常用於容納其他突波防護元件的封裝，可大幅縮減板空間。6 引腳 DFN 封裝包括三個輸入引腳和 3 個用於將突波能量轉移接地的引腳 (圖 7)。

圖 7：TDS 元件採用 DFN 封裝，尺寸為 1.6 x 1.6 x 0.55 mm，附 6 條引線 (右)；引腳 1、2、3 接地，而引腳 4、5、6 是 EOS / ESD 防護輸入。(圖片來源：Semtech)

電路板佈局指南

在 PC 板上放置 SurgeSwitch TDS 元件時，所有接地引腳 (1、2、3) 必須連接到單一跡線，並且所有輸入引腳 (4、5、6) 必須連接到單一跡線，以達到最大突波電流能力。如果接地位於印刷電路板的不同層，則進一步建議使用多個通孔與接地層連接 (圖 8)。遵循這些 PC 板佈局指南，可將寄生電感降至最低並最佳化元件效能。此外，SurgeSwitch TDS 元件應盡可能靠近欲防護的連接器或裝置。這能最大程度減少暫態能量與相鄰跡線的任何耦合，在快速上升時間 EOS 事件發生時尤其重要。由於 TDS 元件不耗散任何能量，因此元件下方不需要導熱墊來傳導熱能。

圖 8：為獲得最佳效能，當接地層與 TDS 元件位於印刷電路板的不同層時，建議使用多個通孔進行連接。(圖片來源：Semtech)

結論

在惡劣環境中運作的工業和 5G 電話裝置的設計人員可以改用 TDS 元件，以便在 ESD 和 EOS 事件中取得可靠和確定性的防護。TDS 元件的 V_C 相對較低，可透過降低組件應力來提高系統可靠性。這些元件符合 IEC 61000 的暫態防護要求，並提供 22 至 58 V 的電壓範圍，可滿足特定應用的要求。其緊湊尺寸有助於縮減整體解決方案，但設計人員需要遵循一些簡單的印刷電路板佈局要求，方可達到 TDS 元件的最大效能。

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