如何使用瞬态分流抑制器提高 ESD 保护性能

作者：Jeff Shepard

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 PC 板布局指南。

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） 。

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：



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） 。

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） 。

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 22 V TDS 器件、适合保护 IO-Link 收发器的 33 V 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 ±30 kV，符合 IEC61000-4-2 标准要求
· 峰值脉冲的额定电流为 40 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 标准要求；±1kV（tp = 1.2/50 μs、分流电阻 (RS) = 42 Ω），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（100 kHz 和 5 kHz、5/50 ns），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） 。

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）

IO-Link 保护

除了在工业环境中发生的常见 ESD 和 EOS 危险外，将 IO-Link 收发器插入 IO-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 IO-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 IO-Link 之类的 24 V 应用，选用像 TDS3311P TDS 这样的 33 V 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 1 kV (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 IO-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）。

图 5：使用 TDS 器件（绿色矩形）针对 3 引脚 IO-Link 端口（顶部）和 4 引脚 IO-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，IO-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 IO-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 48 V，因此像 TDS5801P 这样的 58 V 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：±15 kV（接触）和 ±20 kV（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 ±4 kV（100 kHz 和 5 kHz、5/50 ns）

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） 。

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) 、30 V (TDS3011P) 、33 V (TDS3311P) 、40 V (TDS4001P) 、45 V (TDS4501P) 和 58 V (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。

表 1：SurgeSwitch 器件的额定电压为 22 V 至 58 V，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 0.55 mm 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 0.55 mm 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）

结论

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 22 V 至 58 V 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。