Cómo mejorar la protección contra ESD mediante supresores de desviación de transitorios

La difusión de la Industria 4.0, el Internet Industrial de las Cosas (IIoT) y la telefonía 5G están dando lugar a que se desplieguen dispositivos electrónicos más sofisticados en entornos más duros e inaccesibles. Esto está contribuyendo a la necesidad de una protección repetible y determinista contra las descargas electrostáticas (ESD) y los eventos de sobrecarga eléctrica (EOS) en aplicaciones como los robots industriales, las interfaces IO-Link, los sensores industriales y los dispositivos IIoT, los controladores lógicos programables (PLC) y la alimentación a través de Ethernet (PoE). Estas aplicaciones deben cumplir los requisitos de protección contra transitorios de la norma IEC 61000. Aunque los diodos de supresión de tensiones transitorias (TVS) han servido bien a los diseñadores, cada vez más, las aplicaciones requieren una protección ESD y EOS más determinista, lineal, compacta y fiable.

Para hacer frente a estas crecientes demandas de rendimiento y factor de forma, los diseñadores pueden recurrir a los dispositivos supresores de desviación de transitorios (TDS), que combinan una sujeción, linealidad y estabilidad superiores con respecto a la temperatura, para obtener un nivel de rendimiento más garantizado. En lugar de disipar la energía de sobretensión como un diodo TVS, un dispositivo TDS desvía la energía de sobretensión a tierra. Como no disipan la energía, los dispositivos TDS pueden ser más pequeños en comparación con las alternativas TVS, lo que contribuye a reducir el tamaño de las soluciones. Además, la tensión de cierre de los dispositivos TDS puede ser un 30% menor que la de los diodos TVS, lo que reduce las tensiones del sistema y mejora la fiabilidad.

Este artículo describe el funcionamiento de los dispositivos TDS y las ventajas que aportan a las principales aplicaciones. A continuación, presenta una variedad de ejemplos de dispositivos TDS del mundo real de Semtech, junto con directrices de diseño de placas de PC para su aplicación exitosa.

Cómo funciona la protección contra sobretensiones TDS

Un transistor de efecto de campo (FET) con capacidad de sobrecarga es el principal elemento de protección en un dispositivo TDS. Cuando se produce un evento EOS y la tensión transitoria supera la tensión de ruptura (V_BR) del circuito de disparo de precisión integrado, se activa el circuito de accionamiento, encendiendo el FET que conduce la energía transitoria (I_PP) a tierra (Figura 1).

Figura 1: En un dispositivo TDS, un circuito de disparo de precisión (izquierda) activa el interruptor controlado por tensión FET (derecha) cuando se detecta un evento EOS, desviando el pico de energía (I_PP) directamente a tierra (Fuente de la imagen: Semtech)

A medida que la corriente de impulso aumenta hacia I_PP, la resistencia de encendido del FET (RDS_(ON)) se convierte en unos pocos miliohmios (mΩ) y la tensión de bloqueo (V_C) es casi del mismo valor que la V_BR del circuito de disparo. Como resultado, el V_C de un dispositivo TDS es casi constante en toda la gama de I_PP. Esto difiere de la acción de sujeción en un dispositivo TVS, que se da como:

Donde R_dyn es la resistencia dinámica.

En un dispositivo TVS, R_dyn es un valor fijo que hace que la tensión de bloqueo aumente linealmente con los incrementos de I_PP en el rango de corriente nominal. Para un dispositivo TDS, la V_C es estable en el rango de temperatura de funcionamiento, así como en el rango de I_PP, lo que da lugar a una protección EOS determinista (Figura 2).

Figura 2: La tensión de bloqueo es constante a través de la temperatura y la I_pp para un dispositivo TDS, como el TDS2211P (línea sólida), proporcionando una protección EOS determinista. (Fuente de la imagen: Semtech)

La V_C relativamente baja de los dispositivos TDS da lugar a menores tensiones en los componentes protegidos y a una mayor fiabilidad (Figura 3).

Figura 3: La baja V_C (mostrada aquí como VClamp) de un dispositivo TDS (trazo verde) mejora la fiabilidad al reducir la tensión en los componentes protegidos. (Fuente de la imagen: Semtech)

El rendimiento de los dispositivos TDS permite el diseño de sistemas que cumplen los requisitos de la norma IEC 61000-4-2 para la inmunidad a las descargas electrostáticas (ESD), la norma IEC 61000-4-4 para la inmunidad a los transitorios eléctricos (EFT) y la norma IEC 61000-4-5 para la inmunidad a las sobretensiones. Esto hace que los dispositivos TDS sean adecuados para su uso en una serie de aplicaciones en entornos difíciles. Las siguientes secciones presentan ejemplos de aplicación de TDS, incluyendo un dispositivo TDS de 22 voltios para la protección de interruptores de carga, un dispositivo TDS de 33 voltios adecuado para la protección de transceptores IO-Link y un dispositivo TDS de 58 voltios que puede utilizarse para proteger instalaciones PoE.

Protección de los interruptores de carga

Los interruptores de carga y las entradas de fusibles electrónicos en equipos industriales, robótica, medidores remotos, USB Power Delivery (PD) y dispositivos IIoT pueden protegerse de los eventos EOS utilizando el TDS2211P de 22 voltios. Los índices de protección EOS de este dispositivo TDS incluyen:

• Tensión nominal de resistencia ESD de ±30 kilovoltios (kV) para contacto y aire, según la norma IEC 61000-4-2
• Corriente de impulso máxima de 40 amperios (A) (t_p = 8/20 microsegundos (μs)), según la norma IEC 61000-4-5, y ±1 kV (t_p = 1,2/50 μs; resistencia en derivación (R_S) = 42 Ω), según la norma IEC 61000-4-5 para líneas asimétricas.
• Tensión soportada por EFT de ±4 kV (100 kilohercios (kHz) y 5 kHz, 5/50 nanosegundos (ns)), según IEC 61000-4-4

Cuando se utiliza en esta configuración, el TDS2211P protege los componentes aguas abajo de rayos, ESD y otros eventos EOS, y también mantiene la V_C por debajo del umbral de daño del FET de conmutación en el interruptor de carga (Figura 4).

Figura 4: El TDS2211P puede utilizarse para proteger un conmutador de carga (HS2950P) y los componentes descendentes contra rayos, ESD y otros eventos EOS. (Fuente de la imagen: Semtech)

Protección IO-Link

Además de los peligros generales de ESD y EOS que se encuentran en los entornos industriales, los transceptores IO-Link pueden experimentar picos de tensión de varios miles de voltios cuando se enchufan o desenchufan del dispositivo maestro IO-Link. El diodo TVS que se suele utilizar para proteger los transceptores IO-Link puede complementarse con dispositivos TDS para mejorar la protección. Una aplicación típica de protección de circuitos utiliza dispositivos con una capacidad nominal de al menos el 115% de la alimentación de entrada, por lo que para una aplicación de 24 voltios como IO-Link, es adecuado un dispositivo de protección de 33 voltios como el TDS3311P TDS. Las especificaciones clave del TDS3311P incluyen:

• Tensión de resistencia ESD de ±30 kV tanto para el contacto como para el aire, según la norma IEC 61000-4-2
• Capacidad de corriente de pulso de pico de 35 A (t_p = 8/20 μs), y 1 kV (t_p = 1.2/50 μs, R_S = 42 Ω), como exige la norma IEC 61000-4-5 para líneas asimétricas
• Cumple la norma IEC 61000-4-4 sobre inmunidad a las explosiones/EFT

Hay dos configuraciones comunes de puertos IO-Link, de 3 y 4 pines, que requieren esquemas de protección ligeramente diferentes. En ambos casos, los dispositivos TDS pueden complementarse con un diodo TVS µClamp3671P en la línea V_BUS (L+(24 voltios)) para proteger la polaridad inversa (Figura 5).

Figura 5: Comparación de la protección ESD mediante dispositivos TDS (rectángulos verdes) para un puerto IO-Link de 3 pines (arriba) y otro de 4 pines (abajo). (Fuente de la imagen: Semtech)

En el caso de una implementación de 3 pines, se necesitan 3 dispositivos TDS. Si se desea, se puede proporcionar protección bidireccional con los dos TDS3311P enfrentados. Cuando se utiliza una configuración de 4 pines, los cuatro pines del puerto IO-Link deben soportar sobretensiones positivas y negativas. Las pruebas para garantizar el rendimiento de la protección contra sobretensiones de los transceptores IO-Link son necesarias entre todos los pares de pines del conector y deben realizarse según los niveles exigidos por la norma IEC 61000-4-2 para ESD, IEC 61000-4-4 para ráfagas/EFT e IEC 61000-4-5 para sobretensiones.

Protección para PoE

Los esquemas de protección PoE deben considerar la posibilidad de que los eventos EOS puedan ser de modo común (con respecto a tierra) o diferencial (línea a línea). PoE suministra energía a 48 voltios, por lo que se puede utilizar un dispositivo TDS de 58 voltios como el TDS5801P para proporcionar protección EOS en el lado del conector RJ-45. Las especificaciones del TDS5801P incluyen:

• Tensión de resistencia ESD: ±15 kilovoltios (kV) (contacto) y ±20 kV (aire) según la norma IEC 61000-4-2
• Capacidad de corriente de impulso máxima: 20 A (t_p = 8/20 μs), 1 kV (t_p = 1,2/50 μs, R_S = 42 Ω ) según la norma IEC 61000-4-5
• Tensión de resistencia EFT de ±4 kV (100 kHz y 5 kHz, 5/50 ns) según la norma IEC 61000-4-4

La alimentación en un sistema PoE se suministra utilizando las conexiones de toma central del transformador. El lado de la DP (RJ-45) debe proteger tanto el modo A (la energía suministrada mediante los pares de datos 1 y 2 y 3 y 6) como el modo B (los pines 4 y 5 y los pines 7 y 8 suministran energía), por lo que se necesitan dos pares de TDS5801P para la protección bidireccional a través de las conexiones de la toma central (Figura 6).

Figura 6: Los dispositivos TDS (verde, TDS5801P), uno detrás del otro, proporcionan protección bidireccional contra eventos EOS en un sistema PoE. (Fuente de la imagen: Semtech)

El transformador proporciona un aislamiento en modo común, pero no protege de las sobretensiones diferenciales. Durante un evento de EOS diferencial, los devanados del transformador en el lado de la línea se cargan y la energía se transfiere al lado secundario hasta que la sobretensión termina o el transformador se satura. Los dispositivos TDS del lado de la DP pueden complementarse con cuatro dispositivos de protección ESD RClamp3361P situados en el lado de la capa física (PHY) de Ethernet del transformador para proteger contra eventos EOS diferenciales.

Dispositivos TDS

Los dispositivos SurgeSwitch TDS están disponibles y ofrecen a los diseñadores una selección de voltajes de funcionamiento que incluyen, 22 voltios (TDS2211P), 30 voltios (TDS3011P), 33 voltios (TDS3311P), 40 voltios (TDS4001P), 45 voltios (TDS4501P) y 58 voltios (TDS5801P) (Tabla 1). Cumplen los requisitos de la norma IEC 61000 para su uso en sistemas que funcionan en entornos industriales y de telefonía 5G difíciles.

Tabla 1: Los dispositivos SurgeSwitch están disponibles con valores de tensión de 22 a 58 voltios para una gama de requisitos de aplicación. (Fuente de la imagen: Semtech)

Dado que los dispositivos TDS no son disipadores y desvían la energía de las sobretensiones directamente a tierra a través de una trayectoria de baja impedancia, pueden alojarse en un pequeño encapsulado de 1.6 x 1.6 x 0.55 mm que ofrece un importante ahorro en la placa respecto a los encapsulados SMA y SMB que suelen utilizarse para alojar otros dispositivos de protección contra sobretensiones. El paquete DFN de 6 pines incluye tres pines de entrada y 3 pines para desviar la energía de sobretensión a tierra (Figura 7).

Figura 7: Los dispositivos TDS se presentan en un encapsulado DFN de 1.6 x 1.6 x 0.55 mm con 6 conductores (derecha); los pines 1, 2 y 3 se conectan a tierra, mientras que los pines 4, 5 y 6 son la entrada de protección EOS / ESD. (Fuente de la imagen: Semtech)

Directrices para el diseño del tablero

Al colocar un dispositivo SurgeSwitch TDS en una placa de PC, todos los pines de tierra (1, 2 y 3) deben estar conectados a una sola traza, y todos los pines de entrada (4, 5 y 6) deben estar conectados a una sola traza para obtener la máxima capacidad de corriente de sobretensión. Si la tierra está en una capa diferente de la placa de circuito impreso, se recomienda además utilizar múltiples vías para conectar con el plano de tierra (Figura 8). Si se siguen estas directrices de diseño de la placa de circuito impreso, se minimizan las inductancias parásitas y se optimiza el rendimiento del dispositivo. Además, el dispositivo SurgeSwitch TDS debe colocarse lo más cerca posible del conector o dispositivo a proteger. Esto minimiza cualquier acoplamiento de energía transitoria a las trazas adyacentes y es especialmente importante durante los eventos EOS de tiempo de subida rápido. Dado que los dispositivos TDS no disipan energía, no es necesario colocar una almohadilla térmica debajo del dispositivo para conducir la energía térmica.

Figura 8: Para obtener un rendimiento óptimo, se recomienda la conexión con múltiples vías cuando el plano de tierra se encuentra en una capa de la placa de PC diferente a la del dispositivo TDS. (Fuente de la imagen: Semtech)

Conclusión:

Los diseñadores de equipos de telefonía industrial y 5G que operan en entornos adversos pueden recurrir a los dispositivos TDS para proporcionar una protección fiable y determinista frente a eventos ESD y EOS. La V_C relativamente baja de los dispositivos TDS aumenta la fiabilidad del sistema al reducir las tensiones de los componentes. Estos dispositivos cumplen los requisitos de protección contra transitorios de la norma IEC 61000 y están disponibles en una gama de tensiones de 22 a 58 voltios para adaptarse a los requisitos de aplicaciones específicas. Su tamaño compacto ayuda a reducir el tamaño total de la solución, pero los diseñadores deben seguir algunos requisitos sencillos de diseño de la placa de PC para obtener el máximo rendimiento de los dispositivos TDS.

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