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！
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） 。
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） 。
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）。
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） 。
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。
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） 。
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。
更多有关电路保护相关资讯，可参见以下内容：在工业通信网络中使用坚固耐用的高速以太网连接器如何轻松优化ac/dc转换器以满足广泛的emc要求为什么以及如何有效地使用电子保险丝来保护敏感电路好东西，要分享如果小伙伴觉得这个内容不错请转发或分享到朋友圈dk会员中心
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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） 。
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） 。
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）
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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） 。
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。
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） 。
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。
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