使用TDS瞬态分流抑制器，实现可靠ESD和EOS保护，完整攻略在此！

judy -- 周五, 12/23/2022 - 11:03

作者：Jeff Shepard，来源：得捷电子DigiKey

随着工业4.0、工业物联网 (IIoT) 和5G电话技术的普及，使得越来越多的更多复杂的电子设备部署在了更恶劣、更难进入的环境中。这有助于在工业机器人、IO-Link接口、工业传感器和IIoT设备、可编程逻辑控制器 (PLC) 和以太网供电 (PoE) 等应用中进行可重复的、确定性静电放电 (ESD) 和电气过应力 (EOS) 事件保护。这些应用需要满足IEC61000标准的瞬态保护要求。虽然瞬态电压抑制 (TVS) 二极管能很好地满足设计人员的要求，但越来越多的应用需要更确定、更线性、更紧凑和更可靠的ESD和EOS保护。

为了满足这些不断提高的性能和外形尺寸要求，可以采用瞬态分流抑制器 (TDS) 器件。这种器件同时具有卓越的箝位、线性和温度稳定性，可获得更有保证的性能水平。TDS器件不像TVS二极管那样耗散浪涌能量，而是将这种能量转移到地。与TVS替代品相比，TDS不会耗散能量，因此其尺寸可以更小，这有助于缩小解决方案尺寸。此外，TDS器件的钳位电压会比TVS二极管低30%，因此减少了系统的电气应力，提高了可靠性。

本文将介绍TDS器件如何工作及其给关键应用带来的好处。然后，以Semtech的TDS器件为例进行介绍并给出成功应用这些器件的PCB布局指南。

TDS浪涌保护器如何工作

浪涌级场效应晶体管 (FET) 是TDS器件中的主要保护元件。当发生EOS事件且瞬态电压超过集成精密触发器电路的击穿电压 (VBR) 时，驱动电路被激活，场效应管导通，将瞬态能量 (IPP) 传导至地（图1） 。

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图1：在TDS器件中，当检测到EOS事件时，精密触发器电路（左）会激活FET压控开关（右），将能量尖峰 (IPP) 直接转移至地（图片来源：Semtech） 

随着脉冲电流增大至IPP，FET的导通电阻 (RDS(ON)) 变成几个毫欧 (mΩ) ，钳位电压 (VC) 与触发电路的VBR几乎相同。因此，TDS器件的VC在IPP范围内几乎是恒定的。这与TVS装置中的箝位作用不同，后者已知：

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其中Rdyn是动态电阻。

在TVS设备中，Rdyn 值固定，使得箝位电压在额定电流范围内随着IPP的增加而线性增加。对于TDS器件来说，VC 在工作温度以及IPP范围内都是稳定的，从而实现了决定性的EOS保护（图2） 。

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图2：对于如TDS2211P（实线部分）之类TDS器件，钳位电压在温度和Ipp的范围内保持恒定，从而提供确定的EOS保护。（图片来源：Semtech）

TDS器件的VC相对较低，因此被保护器件不仅受到的电气应力也较低，而且提高了可靠性（图3） 。

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图3：TDS器件的低VC（此处用VClamp 表示，绿色曲线）通过减小受保护器件所受的电气应力来提高可靠性。（图片来源：Semtech）

TDS器件的性能支持满足多个标准要求的系统设计：IEC 61000-4-2标准的ESD抗扰度要求、IEC 61000-4-4标准的猝发/电气快速瞬变 (EFT) 抗扰度要求，以及IEC 61000-4-5标准的浪涌抗扰度要求。这使得TDS器件适合许多恶劣环境下的应用。下文将介绍TDS的应用实例，包括用于保护负载开关的22V TDS器件、适合保护IO-Link收发器的33V TDS器件，以及可用于保护PoE装置的58 V TDS器件。

保护负载开关

使用22 V TDS2211P可以保护工业设备、机器人、远程仪表、USB电力传输 (PD) 和IIoT设备中的负载开关、电子保险丝输入免受EOS事件的影响。该TDS器件的EOS保护等级包括：

  • 接触和空气的ESD耐受电压等级为±30kV，符合IEC61000-4-2标准要求
  • 峰值脉冲的额定电流为40A (tp = 8/20μs)，符合IEC 61000-4-5标准要求；±1kV（tp = 1.2/50μs、分流电阻 (RS) = 42Ω），符合IEC 61000-4-5标准要求，适用于非对称线路
  • EFT耐受电压为±4 kV（100kHz和5kHz、5/50ns），符合IEC 61000-4-4标准

当采用这种配置时，TDS2211P可以保护下游器件免受雷击、ESD和其他EOS事件的影响，该器件还可保持VC低于负载开关中开关FET的损坏阈值（图4） 。
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图4：TDS2211P可用于保护负载开关 (HS2950P) 和下游器件免受雷电、ESD和其他EOS事件的影响。（图片来源：Semtech）

I0-Link保护

除了在工业环境中发生的常见ESD和EOS危险外，将I0-Link收发器插入I0-Link主设备或从这些设备上拔出时，可能会遇到数千伏的电压尖峰。通常用于保护I0-Link收发器的TVS二极管可以用TDS器件来补充，以提升保护性能。在典型的电路保护应用中，所用器件的额定值至少为输入电源的115%，因此对于I0-Link之类的24V应用，选用像TDS3311P TDS这样的33V保护器件是合适的。TDS3311P的主要规格如下：

  • 接触和空气的ESD耐受电压为±30kV，符合IEC61000-4-2标准的要求

  • 峰值脉冲电流能力为35A (tp = 8/20 μs) ，以及1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42Ω) ，符合IEC61000-4-5标准的非对称线路要求

  • 符合IEC61000-4-4标准的猝发/EFT抗扰度要求

有两种常见的I0-Link端口配置，即3引脚和4引脚。这两种配置需要稍有不同的保护方案。在这两种情况下，TDS器件可以在VBUS (L+ (24V)) 线路上补充一个 µClamp3671P TVS二极管，以提供反极性保护（图5）。
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图5：使用TDS器件（绿色矩形）针对3引脚I0-Link端口（顶部）和4引脚I0-Link端口（底部）的ESD保护的比较。（图片来源：Semtech）

在3引脚情况下，需要3个TDS器件。如需要，可以通过两个面对面的TDS3311P来提供双向保护。在4引脚情况下，I0-Link端口的所有四个针脚应均能承受正负浪涌。连接器的每对引脚间都需要进行测试，以确保I0-Link收发器的浪涌保护性能，并应按照IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4猝发/EFT和IEC 61000-4-5浪涌的要求水平进行测试。

PoE保护

PoE保护方案必须考虑EOS事件可能是共模（相对于地）或差分（线对线）的情况。PoE的供电电压为48V，因此像TDS5801P这样的58V TDS器件可用于在RJ-45连接器一侧提供EOS保护。TDS5801P的规格如下：

  • ESD耐受电压：±15kV（接触）和±20kV（空气） ，符合IEC61000-4-2标准的要求
  • 峰值脉冲电流能力：20A (tp = 8/20 μs) ，1kV (tp = 1.2/50μs、RS = 42 Ω) ，符合IEC61000-4-5标准的的要求

  • 根据IEC61000-4-4的要求，EFT耐受电压为±4kV（100kHz和5kHz、5/50ns）

PoE系统中的电源是通过变压器的中心抽头连接来提供的。PD (RJ-45) 端必须同时保护模式A（通过数据对1和2、数据对3和6提供电源）和模式B（通过引脚4和引脚5以及引脚7和引脚8提供电源) ，因此需要两对TDS5801P来实现跨中心抽头连接的双向保护（图6） 。

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图6：背对背TDS器件（绿色，TDS5801P）在PoE系统中提供双向保护，防止EOS事件。（图片来源：Semtech）

变压器提供了共模隔离，但不能提供差分浪涌保护。在差动EOS事件中，线路侧的变压器绕组被充电，能量转移到二次侧，直到浪涌结束或变压器饱和。PD侧的TDS器件可以用位于变压器的以太网物理层 (PHY) 侧的四个RClamp3361P ESD保护器件进行补充，防止差分EOS事件。

TDS器件

SurgeSwitch TDS器件为设计人员提供了多种工作电压选择，包括22 V (TDS2211P) 、30V (TDS3011P) 、33V (TDS3311P) 、40V (TDS4001P) 、45V (TDS4501P) 和58V (TDS5801P) （表1） 。这些器件满足 IEC61000 标准的要求，可用于那些在恶劣的5G电话和工业环境中运行的系统。

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表1：SurgeSwitch器件的额定电压为22V至58V，可满足许多应用要求。（图片来源：Semtech）

由于TDS器件是非耗散性器件，而是通过低阻抗路径将浪涌能量直接转移到地面，因此可以采用1.6 x 1.6 x 0.55mm的小型封装中，相比其他浪涌保护器件通常采用的SMA和SMB封装，可以显著节省电路板空间。具有6个引脚的DFN封装包括3个输入引脚和3个用于将浪涌能量转移到地的引脚（图7） 。

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图7：TDS器件采用1.6 x 1.6 x 0.55mm的DFN封装，有6根引线（右）；1、2、3号引脚接地，而4、5、6号引脚用作EOS/ESD保护输入。（图片来源：Semtech）

电路板布局指南

当在电路板上安装SurgeSwitch TDS器件时，其所有接地引脚（1、2和3）都必须连接到同一印制线上，所有的输入引脚（4、5和6）也必须连接到同一印制线，以获得最大的浪涌电流能力。如果接地线位于电路板的不同层，强烈建议使用多个通孔与地平面连接（图8） 。按照这些PC板布局指南，可以最大限度地减少寄生电感并优化器件性能。此外，SurgeSwitch TDS器件应尽可能地靠近受保护的连接器或器件。这会把瞬时能量与印制线的耦合降至最低，这在快速上升时间EOS事件中尤其重要。由于TDS器件不会耗散任何能量，因此不需要在器件下方设置导热垫来传导热能。

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图8：当接地平面位于电路板的不同层时，为获得最佳性能，建议采用多个通孔进行连接。（图片来源：Semtech）

本文小结

对于设计在恶劣环境下工作的工业和5G电话设备的设计人员来说，可以采用TDS器件，以提供可靠、确定的ESD和EOS事件保护。TDS器件的VC相对较低，通过减少元器件的电气应力来提高系统可靠性。这些器件符合IEC61000标准的瞬态保护要求，并有22V至58V电压范围，可满足特定应用的要求。TDS器件体积小巧，有助于减少整体解决方案的尺寸，但设计人员需要遵循一些简单的PC板布局要求，以发挥TDS器件的最大性能。

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