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！
品慧电子讯随着工业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。
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。
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） 。
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：
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） 。
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） 。
保护负载开关
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
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TDS3311PTDS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= 8/20μs)，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
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
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） 。
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。
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） 。
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。
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。
（来源：得捷电子DigiKey，作者：Jeff Shepard）
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