Améliorer la protection contre les décharges électrostatiques à l'aide de dispositifs TDS

La généralisation de l'Industrie 4.0, de l'Internet industriel des objets (IIoT) et de la téléphonie 5G entraîne le déploiement de dispositifs électroniques plus sophistiqués dans des environnements plus difficiles et plus inaccessibles. Cela contribue à la nécessité d'une protection répétable et déterministe contre les décharges électrostatiques (DES) et les surcharges électriques (EOS) dans des applications telles que les robots industriels, les interfaces IO-Link, les capteurs industriels et les dispositifs IIoT, les contrôleurs logiques programmables (PLC) et l'alimentation par Ethernet (PoE). Ces applications doivent répondre aux exigences de protection contre les transitoires de la norme CEI 61000. Si les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) ont bien servi les concepteurs, les applications exigent de plus en plus une protection DES et EOS encore plus déterministe, linéaire, compacte et fiable.

Pour répondre à ces exigences croissantes en matière de performances et de facteur de forme, les concepteurs peuvent se tourner vers les dispositifs TDS (Transient Diverting Suppressor) qui combinent un blocage, une linéarité et une stabilité en température supérieurs, pour un niveau de performances plus élevé. Plutôt que de dissiper l'énergie de surtension comme une diode TVS, un dispositif TDS dévie l'énergie de surtension vers la terre. Comme ils ne dissipent pas l'énergie, les dispositifs TDS peuvent être plus petits que les alternatives TVS, contribuant à réduire la taille des solutions. De plus, la tension de blocage des dispositifs TDS peut être inférieure de 30 % à celle des diodes TVS, ce qui réduit les contraintes du système et améliore la fiabilité.

Cet article décrit le fonctionnement des dispositifs TDS et les avantages qu'ils apportent aux applications clés. Il présente ensuite une variété d'exemples de dispositifs TDS de Semtech, ainsi que des recommandations de configuration de circuits imprimés pour des applications réussies.

Fonctionnement de la protection contre les surtensions TDS

Un transistor à effet de champ (FET) résistant aux surtensions est le principal élément de protection dans un dispositif TDS. Lorsqu'un événement EOS se produit et que la tension transitoire dépasse la tension de claquage (V_BR) du circuit de déclenchement de précision intégré, le circuit de commande est activé, activant le FET qui conduit l'énergie transitoire (I_PP) à la masse (Figure 1).

Figure 1 : Dans un dispositif TDS, un circuit de déclenchement de précision (à gauche) active le commutateur commandé en tension FET (à droite) lorsqu'un événement EOS est détecté, détournant le pic d'énergie (I_PP) directement vers la masse. (Source de l'image : Semtech)

Lorsque le courant d'impulsion augmente vers I_PP, la résistance à l'état passant (R_DS(ON)) FET est réduite à quelques milliohms (mΩ), et la tension de blocage (V_C) a presque la même valeur que la tension V_BR du circuit de déclenchement. Par conséquent, la tension V_C d'un dispositif TDS est presque constante sur toute la plage I_PP. Cela diffère de l'action de blocage dans un dispositif TVS, qui est indiqué comme suit :

Où R_dyn est la résistance dynamique.

Dans un dispositif TVS, R_dyn est une valeur fixe qui fait que la tension de blocage augmente linéairement avec l'augmentation de la valeur I_PP sur la plage de courant nominal. Pour un dispositif TDS, V_C est stable sur la plage de températures de fonctionnement, ainsi que sur la plage I_PP, résultant en une protection EOS déterministe (Figure 2).

Figure 2 : La tension de blocage est constante sur les plages de températures et I_PP pour un dispositif TDS, tel que le TDS2211P (ligne continue), fournissant une protection EOS déterministe. (Source de l'image : Semtech)

La tension V_C relativement faible des dispositifs TDS résulte en une diminution des contraintes sur les composants protégés et en une fiabilité améliorée (Figure 3).

Figure 3 : La faible tension V_C (représentée ici par VClamp) d'un dispositif TDS (trace verte) améliore la fiabilité en réduisant les contraintes sur les composants protégés. (Source de l'image : Semtech)

Les performances des dispositifs TDS permettent de concevoir des systèmes conformes aux exigences de la norme CEI 61000-4-2 en matière d'immunité aux décharges électrostatiques, de la norme CEI 61000-4-4 en matière d'immunité aux rafales/transitoires électriques rapides (EFT) et de la norme CEI 61000-4-5 en matière d'immunité aux surtensions. Les dispositifs TDS peuvent donc être utilisés dans de nombreuses applications en environnements difficiles. Les sections suivantes présentent des exemples d'applications TDS, notamment un dispositif TDS de 22 volts (V) pour la protection des commutateurs de charge, un dispositif TDS de 33 V adapté à la protection des émetteurs-récepteurs IO-Link, et un dispositif TDS de 58 V qui peut être utilisé pour protéger les installations PoE.

Protection des commutateurs de charge

Les commutateurs de charge et les entrées de fusibles électroniques dans les équipements industriels, la robotique, les compteurs à distance, les dispositifs USB Power Delivery (PD) et IIoT peuvent être protégés des événements EOS à l'aide du TDS2211P de 22 V. Les caractéristiques de protection EOS de ce dispositif TDS incluent :

• Tension de tenue DES de ±30 kilovolts (kV) pour le contact et l'air, conformément à la norme CEI 61000-4-2
• Courant nominal d'impulsion de crête de 40 ampères (A) (t_p = 8/20 microsecondes (μs)), selon la norme CEI 61000-4-5, et ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs ; résistance shunt (R_S) = 42 Ω), selon la norme CEI 61000-4-5 pour les lignes non symétriques
• Tension de tenue EFT de ±4 kV (100 kilohertz (kHz) et 5 kHz, 5/50 nanosecondes (ns)), selon la norme CEI 61000-4-4

Lorsqu'il est utilisé dans cette configuration, le TDS2211P protège les composants en aval contre la foudre, les décharges électrostatiques et d'autres événements EOS, et il maintient également la tension V_C en dessous du seuil d'endommagement du FET de commutation dans le commutateur de charge (Figure 4).

Figure 4 : Le TDS2211P peut être utilisé pour protéger un commutateur de charge (HS2950P) et les composants en aval contre la foudre, les décharges électrostatiques et d'autres événements EOS. (Source de l'image : Semtech)

Protection IO-Link

Outre les dangers DES et EOS généraux présents dans les environnements industriels, les émetteurs-récepteurs IO-Link peuvent subir des pics de tension de plusieurs milliers de volts lorsqu'ils sont branchés ou débranchés du dispositif maître IO-Link. La diode TVS typiquement utilisée pour protéger les émetteurs-récepteurs IO-Link peut être complétée par des dispositifs TDS pour une meilleure protection. Une application de protection de circuit typique utilise des dispositifs répertoriés pour au moins 115 % de l'alimentation d'entrée. Donc pour une application de 24 V comme IO-Link, un dispositif de protection de 33 V comme le TDS3311P est approprié. Les principales caractéristiques du TDS3311P incluent :

• Tension de tenue DES de ±30 kV pour le contact et l'air, conformément à la norme CEI 61000-4-2
• Tenue en courant d'impulsion de crête de 35 A (t_p = 8/20 μs), et 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω), comme requis par la norme CEI 61000-4-5 pour les lignes non symétriques
• Conformité à la norme CEI 61000-4-4 pour l'immunité aux rafales/EFT

Il existe deux configurations de port IO-Link courantes, à 3 et 4 broches, qui nécessitent des schémas de protection légèrement différents. Dans les deux cas, les dispositifs TDS peuvent être complétés par une diode TVS µClamp3671P sur la ligne V_BUS (L+(24 V)) pour une protection contre la polarité inverse (Figure 5).

Figure 5 : Comparaison de la protection DES avec des dispositifs TDS (rectangles verts) pour un port IO-Link à 3 broches (en haut) et un port IO-Link à 4 broches (en bas). (Source de l'image : Semtech)

Dans le cas d'une implémentation à 3 broches, 3 dispositifs TDS sont requis. Si nécessaire, une protection bidirectionnelle peut être fournie en plaçant les deux TDS3311P l'un en face de l'autre. Lorsqu'une configuration à 4 broches est utilisée, les quatre broches du port IO-Link doivent résister aux surtensions positives et négatives. Des tests visant à garantir les performances de protection contre les surtensions des émetteurs-récepteurs IO-Link sont nécessaires entre toutes les paires de broches du connecteur et doivent être effectués aux niveaux requis par la norme CEI 61000-4-2 pour les DES, la norme CEI 61000-4-4 pour les rafales/EFT et la norme CEI 61000-4-5 pour les surtensions.

Protection pour PoE

Les schémas de protection PoE doivent tenir compte du fait que les événements EOS peuvent être en mode commun (par rapport à la terre) ou différentiels (ligne à ligne). PoE fournit une alimentation à 48 V, donc un dispositif TDS de 58 V comme le TDS5801P peut être utilisé pour fournir une protection EOS du côté du connecteur RJ-45. Les spécifications du TDS5801P incluent :

• Tension de tenue DES : ±15 kV (contact) et ±20 kV (air) selon la norme CEI 61000-4-2
• Tenue en courant d'impulsion de crête : 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω) selon la norme CEI 61000-4-5
• Tension de tenue EFT de ±4 kV (100 kHz et 5 kHz, 5/50 ns) selon la norme CEI 61000-4-4

L'alimentation dans un système PoE est fournie par les connexions de prises centrales sur le transformateur. Le côté PD (RJ-45) doit protéger à la fois le mode A (alimentation délivrée via les paires de données 1 & 2 et 3 & 6) et le mode B (alimentation délivrée via les broches 4 & 5 et les broches 7 & 8). Deux paires de dispositifs TDS5801P sont donc nécessaires pour la protection bidirectionnelle sur les connexions de prises centrales (Figure 6).

Figure 6 : Les dispositifs TDS tête-bêche (vert, TDS5801P) fournissent une protection bidirectionnelle contre les événements EOS dans un système PoE. (Source de l'image : Semtech)

L'isolement de mode commun est fourni par le transformateur, mais il ne protège contre les surtensions différentielles. Lors d'un événement EOS différentiel, les enroulements du transformateur côté ligne sont chargés et l'énergie est transférée au côté secondaire jusqu'à ce que la surtension prenne fin ou que le transformateur sature. Les dispositifs TDS du côté PD peuvent être complétés par quatre dispositifs de protection DES RClamp3361P situés du côté de la couche physique (PHY) Ethernet du transformateur pour assurer une protection contre les événements EOS différentiels.

Dispositifs TDS

Les dispositifs TDS SurgeSwitch offrent aux concepteurs un choix de tensions de fonctionnement, notamment 22 V (TDS2211P), 30 V (TDS3011P), 33 V (TDS3311P), 40 V (TDS4001P), 45 V (TDS4501P) et 58 V (TDS5801P) (Tableau 1). Ils répondent aux exigences de la norme CEI 61000 pour une utilisation dans les systèmes fonctionnant en environnements industriels et de téléphonie 5G difficiles.

Tableau 1 : Les dispositifs SurgeSwitch sont disponibles avec des tensions nominales de 22 V à 58 V pour diverses exigences d'application. (Source de l'image : Semtech)

Étant donné que les dispositifs TDS ne sont pas dissipatifs et qu'ils dévient l'énergie de surtension directement vers la terre par un chemin à faible impédance, ils peuvent être logés dans un petit boîtier de 1,6 mm x 1,6 mm x 0,55 mm, ce qui permet des économies d'espace carte par rapport aux boîtiers SMA et SMB souvent utilisés pour d'autres dispositifs de protection contre les surtensions. Le boîtier DFN à 6 broches est doté de trois broches d'entrée et de trois broches pour dévier l'énergie de surtension vers la terre (Figure 7).

Figure 7 : Les dispositifs TDS sont fournis en boîtier DFN de 1,6 mm x 1,6 mm x 0,55 mm avec 6 broches (à droite) ; les broches 1, 2 et 3 sont reliées à la terre, tandis que les broches 4, 5 et 6 constituent l'entrée de protection EOS/DES. (Source de l'image : Semtech)

Consignes de configuration de cartes

Lorsque vous placez un dispositif TDS SurgeSwitch sur une carte à circuit imprimé, toutes les broches de terre (1, 2 et 3) doivent être connectées à une seule piste, et toutes les broches d'entrée (4, 5 et 6) doivent être connectées à une seule piste pour une tenue en courant de pointe maximum. Si la terre se trouve sur une autre couche du circuit imprimé, il est recommandé d'utiliser plusieurs traversées pour la connexion au plan de masse (Figure 8). Le respect de ces consignes de configuration des circuits imprimés minimise les inductances parasites et optimise les performances du dispositif. En outre, le dispositif TDS SurgeSwitch doit être placé aussi près que possible du connecteur ou du dispositif à protéger. Cela minimise tout couplage de l'énergie transitoire aux pistes adjacentes et est particulièrement important lors d'événements EOS à temps de montée rapide. Étant donné que les dispositifs TDS ne dissipent aucune énergie, il n'est pas nécessaire d'installer une pastille thermique sous le dispositif pour évacuer l'énergie thermique.

Figure 8 : Pour des performances optimales, il est recommandé d'utiliser plusieurs traversées lorsque le plan de masse se trouve sur une couche du circuit imprimé différente de celle du dispositif TDS. (Source de l'image : Semtech)

Conclusion

Les concepteurs d'équipements industriels et de téléphonie 5G fonctionnant en environnements difficiles peuvent se tourner vers les dispositifs TDS pour une protection fiable et déterministe contre les événements DES et EOS. La tension V_C relativement faible des dispositifs TDS augmente la fiabilité du système en réduisant les contraintes sur les composants. Ces dispositifs répondent aux exigences de protection contre les transitoires de la norme CEI 61000 et sont disponibles dans une plage de tensions de 22 V à 58 V afin de répondre aux exigences d'applications spécifiques. Leur format compact permet de réduire la taille globale de la solution, mais les concepteurs doivent respecter certaines exigences simples en matière de configuration des circuits imprimés pour obtenir des performances maximales des dispositifs TDS.

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