保護 USB-PD 與 PoE 電路不受工業電源突波影響

在技術不斷演進下，例如 USB Type-C® 電力傳輸 (USB-PD) 和乙太網路供電 (PoE) 等，將持續推動快速充電應用和精簡電源設計的需求。由於這些協定會運用在高度整合及工業應用中，保護其電路不受過度電性應力 (EOS) 及靜電放電 (ESD) 事件的影響相當重要，以確保使用者安全及裝置可靠性。然而，即便外型尺寸持續縮小，功率需求也不斷增加，因此突波保護更具挑戰性。

本文將概述 USB-PD 與 PoE 技術的發展趨勢，說明電路保護的必要性。接著會介紹來自 Semtech 的暫態轉移抑制器 (TDS)，並說明這些裝置如何在工業及其他應用中，提供低箝位電壓並達到優異的溫度穩定性。

USB-PD 與 PoE 不斷擴大功率位準

USB-PD 與 PoE 已成為在單一纜線連接中結合高速數據通訊與電力傳輸的標準。其目前的數據傳輸率遠超過 1 Gbit/s，近年來，功率位準更大幅提升：

• PoE：2003 年時，PoE (Type 1) 最初每一個連接埠可提供 15.4 W，以供電給無線存取點。到了 2018 年，PoE++ (Type 4) 已可支援每埠 100 W，因此能讓 PoE 運用在大功率應用中，如進階的工業攝影機。
• USB-PD：2014 年時，若要支援像是平板電腦等 60 W 的 USB-PD 裝置，就需要 USB Type-C 纜線。到了 2021 年，USB-C PD 3.1 標準已可讓 USB Type-C 提供 240 W，對更大型的系統進行充電。

因為要透過細微間距的連接器傳輸如此大的功率負載，突波事件對於採用 PoE 及 USB-PD 的系統來說，已成為安全性與可靠性層面的實質風險。因此突波保護成了產品設計中不可或缺的一環，特別是在這些產品變得更加緊湊下。

保護空間受限裝置不受電源電壓的暫態影響

對於透過 USB-PD 充電的緊湊裝置來說，高度的設計整合可能會增加突波事件的風險。舉例而言，若元件之間的距離較短，會導致電壓尖波或 ESD 更容易在走線間產生電弧。電弧會可能破壞元件，或因電磁干擾 (EMI) 增加而導致資料錯誤。

突波相關的熱量更可能導致引腳之間的絕緣體破裂，進而引發電弧和短路，進一步破壞附近的電路。當 I/O 或數據線上出現電力尖波時，裝置中較敏感的元件可能會因為 EOS 或 ESD 而有遭受嚴重且立即損害的風險。

電源電壓暫態也可能危及電氣安全，且會因為大電流短路而增加火災風險。礙於這些因素，必須迅速偵測輸入電力的異常，並在受損之前將高電壓與大電流轉移，以遠離關鍵應用電路。

為了在多種應用中提供有效保護，暫態抑制元件應具備以下效能特性：

• 箝位電壓應非常接近受保護電路的工作電壓，以確保即使是輕微的過壓或 ESD 事件也會受到抑制。要判斷箝位電壓是否適當，需取決於使用的 USB-PD 或 PoE 標準。
• 無論脈衝電流幅度或工作溫度為何，一致的箝位電壓可在情況多變的系統中簡化防護作業。
• 耐突波與 ESD 的防護元件必須具有高度耐用性，以確保在雷擊等最嚴峻的情況下依然可正常運作。
• 需要可適應安裝空間逐漸受限的緊湊元件。

嶄新的突波保護作法

Semtech 的 SurgeSwitch TDS 設計就可符合甚至超越這些應用的需求。這系列緊湊型裝置提供單線保護，可在完整的 USB-PD 與 PoE 工作電壓範圍內，針對高 EOS 與 ESD 事件提供防護。此系列的主要規格包括：

• 峰值脈衝電流能力為 40 A、8/20 μs
• 突波耐受性達第 2 級 ±1 kV，符合 IEC 61000-4-5 標準
• ESD 耐受度超過第 4 級 (8 kV 接觸放電及 15 kV 空氣放電)

SurgeSwitch TDS 的內部機制 (圖 1) 與傳統的突波保護裝置，如暫態電壓抑制器 (TVS) 二極體，有明顯不同。

圖 1：SurgeSwitch TDS 裝置具有 FET 架構的分流機制，可在不可預測的突波情況下提供一致的箝位效果。(圖片來源：Semtech)

Semtech TDSs 不依賴傳統的 PN 接面達到崩潰，而是使用具有突波等級的場效電晶體 (FET) 來保護敏感元件，以免受到 EOS 和 ESD 事件的影響。因搭配驅動電路使用，此 FET 可由精確調校的觸發電路啟動，形成一個電壓控制的開關，可當作崩潰機制。當暫態電壓提升到超過裝置的額定崩潰電壓，觸發電路就會啟動分流 FET，導通後就會將暫態電流轉移到接地。

透過採用具備超低導通阻抗的 FET 架構開關機制，SurgeSwitch 裝置能在寬廣的工作溫度和峰值脈衝電流範圍內，達到一致的箝位電壓。如此便可將 USB-PD 與 PoE 整合到更嚴苛的工業應用，滿足其對可預測突波保護的需求，以便在多種工作條件下支援部署作業。

挑選適合的 TDS 解決方案

挑選適當的 SurgeSwitch 裝置時，主要取決於應用的工作電壓，因為這會決定電路防護所需的箝位電壓。針對較高電壓，TDS5801P.C (圖 2) 可保護一個工作電壓為 58 V (PoE 的典型值) 的 I/O 或電源線。此裝置提供 1.6 × 1.6 × 0.55 mm 封裝，可達到高度空間最佳化。

圖 2：TDS5801P.C 可針對工作電壓 58 V 的線路提供強大的突波防護。(圖片來源：Semtech)

TDS5801P.C 提供：

• 峰值脈衝功率額定值：1,490 W @ 8/20 μs
• 峰值脈衝電流：20 A ＠ 8/20 μs
• 電源箝位電壓：70.2 V (典型值)
• ESD 箝位電壓：低至 4.4 V
• ESD 電壓額定值：
  • 空氣放電：±20 kV
  • 接觸電壓：±15 kV

由於具有高脈衝功率額定值及低 ESD 箝位電壓，TDS5801P.C TDS 適用於戶外 PoE 應用，如監控攝影機、遠端儀表及網路設備，因為惡劣天氣條件會讓 ESD 事件加劇。在這些應用中，具有 -55°C 至 +125°C 的延伸工作溫度範圍，是在各種季節條件下維持一致防護的重要關鍵。

相對來說，TDS0521PW.C (圖 3) 則可提供適用於物聯網 (IoT) 裝置與低功率 USB-PD 之 VBUS 線路用的 5 V 工作電壓解決方案。為了支援高度整合式裝置，TDS 提供 1.6 × 1.0 × 0.55 mm 的封裝，具備側面可潤濕側翼，適合平面安裝。

圖 3：採用緊湊的雙引線封裝，TDS0521PW.C 可在空間受限的設計中達到突波防護。(圖片來源：Semtech)

TDS0521PW.C 的主要規格包括：

• 峰值脈衝功率額定值：412 W @ 8/20 μs
• 峰值脈衝電流：
  • 40 A ＠ 8/20 μs
  • 8 A ＠ 10/1000 μs
• 電源箝位電壓：8.7 V (典型值)，適用於 40 A 脈衝
• ESD 電壓額定值：±30 kV (空氣及接觸)

對於敏感的低壓設備來說，此裝置可在高程度突波事件中提供優異的防護，特別是在充電期間連接到主電源時。

TDS2261P.C (圖 4) 是一款適用於中階 USB-PD 應用 (如工業平板電腦) 的 TDS，可在 22 V 工作電壓下提供類似的防護。TDS2261P.C 提供：

• 峰值脈衝功率額定值：1120 W @ 8/20 μs
• 峰值脈衝電流：
  • 40 A ＠ 8/20 μs
  • 3 A ＠ 10/1000 μs
• 電源箝位電壓：27.7 V (典型值)，適用於 40 A 脈衝
• ESD 電壓額定值：
  • 空氣放電：±30 kV
  • 接觸電壓：±20 kV

圖 4：TDS2261P.C 可針對 22 V 系統中達到 40 A 的短路脈衝電流，提供多功能防護。(圖片來源：Semtech)

儘管 TDS2261P.C 是 SurgeSwitch 裝置中體積最大的，尺寸為 2 × 2 × 0.75 mm，但仍可針對空間受限的裝置提供高 EOS 與 ESD 防護的緊湊型解決方案。除了 USB-PD 之外，其他目標應用包括儲存裝置和工業感測器。

結論

隨著 USB-PD 與 PoE 標準持續提升電力傳輸效能，在高度整合的裝置設計中提供完善的突波保護更具挑戰性。Semtech 的 SurgeSwitch 系列可在多種溫度與脈衝電流下，維持一致的箝位電壓，因此能有效克服此挑戰。在不同的線路電壓和工作條件下，也能針對對嚴峻的電力異常情況提供可靠的防護。