ESD-сборки общего применения Littelfuse для защиты низковольтных цепей
1 июля 2016
Современная электроника способна выдерживать воздействие мощных помех и статических разрядов, однако для этого необходимо предусмотреть соответствующие механизмы защиты. Если говорить о защите от статики, то достичь требуемого уровня надежности реально с помощью простейших TVS-диодов и сборок. Компания Littelfuse предлагает широкий выбор защитных компонентов для самых различных областей, в частности — для низковольтных приложений.
Стоит ли защищать электронику от разрядов и мощных помех? Элементы защиты не расширяют функционал, не дают пользователю каких-то новых функций. Более того, дополнительные компоненты – это дополнительное повышение цены конечного устройства. Не смотря на все это, любой профессиональный разработчик ответит, что электронику защищать нужно в обязательном порядке. Однако, методы защиты зависят от конкретного приложения.
Чтобы защитить светодиодный фонарь от ударов молний, потребуются мощные разрядники или варисторы. Для портативной и бытовой электроники зачастую будет достаточно обеспечить устойчивость к статическим разрядам с помощью TVS-диодов или TVS-сборок (ESD-сборок). Это именно те компоненты, которые позволяют создать базовый уровень защиты.
Класс TVS-диодов и ESD-сборок не однороден, в нем есть свои специализированные группы. Например, компания Littelfuse делит свои сборки на три группы:
- для низкоскоростных интерфейсов и низковольтных цепей;
- для высокоскоростных интерфейсов;
- сборки повышенной мощности для защиты интерфейсов, применяемых на открытом воздухе.
ESD-сборки для низкоскоростных интерфейсов от Littelfuse относятся к первой группе. В настоящее время она включает почти три десятка серий с различными характеристиками для различных приложений.
Отличительными чертами этой группы являются высокая мощность и значительная емкость. Высокая емкость делает их непригодными для защиты высокоскоростных интерфейсов. С другой стороны, для некоторых низковольтных приложений это скорее достоинство, так как емкость сборки представляет собой дополнительный фильтр, сглаживающий импульсы воздействующих помех.
В большинстве случаев ESD-сборки производства компании Littelfuse – это миниатюрные компоненты с бюджетной стоимостью, которые обеспечивают надежную защиту сигнальных линий и линий питания.
Говоря «надежная защита», мы имеем в виду соответствие требованиям нормативных документов, о которых стоит сказать отдельно.
Обзор нормативных документов в области устойчивости к статическим разрядам
Уровень защиты устройств подтверждается при тестировании на соответствие нормативным документам. Среди производителей электронных компонентов наиболее часто применяется MIL-STD-883 и его метод проверки с использованием модели человеческого тела HBM (Human Body Model). Этот документ устанавливает четыре основных уровня устойчивости компонентов к статическим разрядам (±0,5 кВ/0,33 А; ±1 кВ/0,67 А; ±2 кВ/1,33 А; ±4 кВ/2,67 А).
Производители электронного оборудования чаще используют другой стандарт – МЭК 61000-4-2 (в России адаптирован в виде ГОСТ Р 51317.4.2 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний»). Он определяет требования не к отдельным компонентам, а к системе в целом, и использует гораздо более жесткие тестовые воздействия. При исследовании устойчивости к контактному разряду применяются импульсы: ±2 кВ/7,5 А; ±4 кВ/15 А; ±6 кВ/22,5 А; ±8 кВ/30 А. При исследовании воздушного разряда применяются импульсы ±2 кВ, ±4 кВ, ±8 кВ, ±15 кВ. Стандарт допускает использование и более высоких напряжений испытательных импульсов.
Очевидно, что выдерживать такие импульсы под силу далеко не всем электронным компонентам.
Во многих случаях выполнение требований МЭК 61000-4-2 требует наличия дополнительной внешней защиты. Очень часто для этого будет достаточно использования обычных TVS-диодов или ESD-сборок.
Обзор семейств ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей
Группа ESD-сборок Littelfuse для низкоскоростных интерфейсов включает в себя около трех десятков серий (таблица 1). Они разработаны для использования в различных приложениях, поэтому их характеристики достаточно сильно отличаются:
- число каналов: 1…6;
- однонаправленные и двунаправленные;
- рабочее напряжение: 5…36 В;
- мощность: до 600 Вт;
- рейтинг защиты контактного разряда: ±8…30 кВ по МЭК 61000-4-2;
- входная емкость :от 8 пФ;
- различные корпусные исполнения.
Таблица 1. Серии ESD-сборок Littelfuse для низкоскоростных интерфейсов
Наименование серии |
Число каналов |
Полярность | Рабочее напряжение, В | Мощность, Вт | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Емкость, пФ | Корпус |
SDxx | 1 | Униполярный | 5, 12, 15, 24, 36 | 450 | ±30 | 50…350 | SOD323 |
SDxxС | 1 | Биполярный | 5, 12, 15, 24, 36 | 450 | ±30 | 30…200 | SOD323 |
SMxx | 2 | Униполярный | 5, 12, 15, 24, 36 | 400 | ±30 | 40…350 | SOT23-3 |
SM24CANA | 2 | Биполярный | 24 | 200 | ±24 | 11 | SOT23-3 |
SM24CANB | 2 | Биполярный | 24 | 500 | ±30 | 30 | SOT23-3 |
SM712 | 2 | Биполярный | +7/-12 | 600 | ±30 | 75 | SOT23-3 |
SP05 | 2/3/4/5/6 | Униполярный | 5,5 | – | ±30 | 30 | SC70, SOT23, SOT143, MSOP |
SPxx | 1 | Биполярный | 12, 15, 24, 36 | 100 | ±30 | 26 | 0201 (Flipchip) |
SPHVxx | 1 | Униполярный | 12, 15, 24, 36 | 200 | ±30 | 25…60 | SOD882 |
SPHVxxC | 1 | Биполярный | 12, 15, 24, 36 | 200 | ±30 | 13…30 | SOD882 |
SP1001 | 2/4/5 | Униполярный | 5,5 | – | ±15 | 8 | SC70, SOT553, SOT563, SOT963 |
SP1002 | 1/2 | Биполярный | 6 | – | ±8 | 5 | SC70 |
SP1003 | 1 | Униполярный | 5 | – | ±30 | 30 | SOD723, SOD882 |
SP1004 | 4 | Униполярный | 6 | – | ±8 | 5 | SOT953 |
SP1005 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 30 | 0201 (Flipchip), 0402 (SOD882) |
SP1006 | 1 | Униполярный | 6 | – | ±30 | 25 | 0201 (µDFN-2) |
SP1007 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±8 | 3,5 | 0201 (Flipchip), 0402 (SOD882) |
SP1008 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±15 | 6 | 0201 (Flipchip) |
SP1009 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 30 | 0201 (Flipchip) |
SP1011 | 4 | Униполярный | 6 | – | ±15 | 7 | µDFN-6 |
SP1012 | 6 | Униполярный | 5 | – | ±15 | 6,5 | 0,94×0,61мм Flip Chip |
SP1013 | 1 | Биполярный | 5 | – | ±30 | 30 | 0,54×0,29 мм Flipchip |
SP1014 | 1 | Биполярный | 5 | – | ±12 | 6 | 0,54×0,29 мм Flipchip |
SP1015 | 5 | Униполярный | 5 | – | ±20 | 5 | 0,95×0,55 мм Flip Chip |
SP1020 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 20 | 01005 Flipchip |
SP1021 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±12 | 6 | 01005 Flipchip |
SP1026 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 15 | 0201 (µDFN-2) |
Рассмотрение особенностей каждой из серий потребует значительного времени, по этой причине уделим внимание только наиболее популярным и доступным ESD-сборкам Littelfuse.
Особенности популярных серий ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей
Серия SDxxC – группа двунаправленных ESD-сборок в миниатюрном корпусе SOD323 (рисунок 1). Несмотря на малые габариты, мощность этих компонентов составляет солидные 450 Вт.
Серия включает в себя пять представителей с различными рабочими напряжениями: 5/12/15/24/36 В (таблица 2). Это позволяет использовать их для защиты самых различных приложений: цифровых входов/выходов, аналоговых линий, низкоскоростных интерфейсов. При этом стоит отметить, что эти сборки обеспечивают рейтинг защиты от контактного разряда выше, чем требует МЭК 61000-4-2 при самом жестком воздействии.
Таблица 2. Характеристики ESD-сборок серии SDxxC
Наименование | Uраб, В | Число каналов |
P, Вт | C, пФ | Uогр (ток 1 А) (8/20 µs), В | Iпик (8/20 µs), А |
Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Корпус |
SD05C-01FTG | 5 | 1 | 450 | 200 | 10 | 30 | ±30 | SOD323 |
SD12C-01FTG | 12 | 100 | 18,5 | 17 | ||||
SD15C-01FTG | 15 | 75 | 24 | 12 | ||||
SD24C-01FTG | 24 | 50 | 34 | 7 | ||||
SD36C-01FTG | 36 | 30 | 50 | 5 |
Серия SP05xx объединяет в себе многоканальные ESD-сборки с рабочим напряжением 5,5 В. Все представители данной серии имеют одинаковую конфигурацию с общим анодом, а корпусное исполнение зависит от числа каналов: двухканальные SC70-3 и SOT23-3, трехканальные SOT143-4, четырехканальные SC70-5 и SOT23-5, пятиканальные SC70-6 и SOT23-6, шестиканальные MSOP-8 (рисунок 2, таблица 3).
Таблица 3. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx
Наименование | Uраб, В | Число каналов |
C, пФ | Uогр (ток 1 мА), В | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Корпус |
SP0502BAJTG | 5,5 | 2 | 30 | 8,5 | ±30 | SC70-3 |
SP0502BAHTG | 2 | SOT23-3 | ||||
SP0503BAHTG | 3 | SOT143-4 | ||||
SP0504BAJTG | 4 | SC70-5 | ||||
SP0504BAHTG | 4 | SOT23-5 | ||||
SP0505BAHTG | 5 | SOT23-6 | ||||
SP0505BAJTG | 5 | SC70-6 | ||||
SP0506BAATG | 6 | MSOP-8 |
Низкое рабочее напряжение 5,5 В, наличие большого количества каналов, низкая емкость (30 пФ) делают эти сборки универсальным инструментом для защиты цифровых линий и низкоскоростных интерфейсов.
Сборки SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG – это специализированные решения для защиты CAN-трансиверов, в том числе – в автомобильных приложениях. Для защиты одного приемопередатчика требуется только одна сборка, так как она в одном корпусе объединяет два двунаправленных TVS-диода (рисунок 3).
Несмотря на миниатюрное корпусное исполнение (SOT23-3), SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG отличаются высокими защитными свойствами (таблица 4). SM24CANA-02HTG имеет мощность 200 Вт и выдерживает тестовые импульсы напряжением до ±24 кВ. У SM24CANB-02HTG характеристики еще лучше: мощность до 500 Вт и рейтинг напряжения при контактном разряде ±30 кВ.
Таблица 4. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx
Наименование | Uраб, В | Число каналов |
P, Вт | C, пФ | Uогр (ток 1А)
(8/20µs), В |
Iпик
(8/20µs), А |
Рейтинг (Contact Discharge,
IEC61000-4-2), кВ |
Корпус |
SM24CANA-02HTG | 24 | 2 | 200 | 11 | 36 | 3 | ±24 | SOT23-3 |
SM24CANB-02HTG | 24 | 500 | 30 | 34 | 10 | ±30 |
Серия SP1001xx – многоканальные ESD-сборки с рабочим напряжением 5,5 В. Важным достоинством представителей данной серии является низкая емкость – всего 8 пФ. Это делает их идеальным выбором для защиты низкоскоростных низковольтных интерфейсов, например RS-485.
В настоящее время серия SP1001xx объединяет в себе сборки с различным числом каналов и корпусным исполнением (рисунок 4, таблица 5): двухканальные SC70-3 и SOT553, четырехканальные SC70-5 и SOT553, пятиканальные SC70-6, SOT563 и SOT963.
Таблица 5. Характеристики ESD-сборок серии SP1001xx
Наименование | Uраб, В | Число каналов |
C, пФ | Uогр (ток 1 А)
8/20 µs, В |
Iпик (8/20 µs), А |
Рейтинг (Contact Discharge,
IEC61000-4-2), кВ |
Корпус |
SP1001-02JTG | 5,5 | 2 | 8 | 8 | 2 | ±15 | SC70-3 |
SP1001-02XTG | 2 | SOT553 | |||||
SP1001-04JTG | 4 | SC70-5 | |||||
SP1001-04XTG | 4 | SOT553 | |||||
SP1001-05JTG | 5 | SC70-6 | |||||
SP1001-05VTG | 5 | SOT963 | |||||
SP1001-05XTG | 5 | SOT563 |
Особенности применения серий ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей
ESD-сборки производства компании Littelfuse можно разделить на три группы: сборки для низковольтных цепей, высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности для защиты интерфейсов, применяемых на открытом воздухе.
Представители каждой из групп разрабатывались с учетом требований той или иной области приложений. Например, высокоскоростные интерфейсы не допускают использование защитных TVS-диодов и сборок с высокой собственной емкостью, которая бы искажала форму сигналов. Группе ESD-сборок для низковольтных цепей в ряде случаев высокая емкость может приносить пользу, выступая как дополнительный фильтр.
В общем случае приложениями для ESD-сборок для низковольтных цепей становятся:
- цифровые цепи: порты ввода/вывода, клавиатуры и так далее;
- аналоговые цепи: входы АЦП, аудио, аналоговое видео и прочие;
- низкоскоростные интерфейсы: CAN, LIN, RS-232, RS-485 и так далее;
- линии питания.
Общие рекомендации по применению представлены в таблице 6.
Таблица 6. Рекомендации Littelfuse по применению ESD-сборок для низковольтных цепей
Аудио-линии | Порты ввода/вывода | LIN | CAN | RS232 | RS485 | USB 1.1 | ЖК-мониторы | ЖК портатив-ной электро-ники | SIM | Карты памяти | Клавиа-туры | Аналого-вое видео | Пита-ние | |
SDxx | + | + | + | + | + | |||||||||
SDxxС | + | + | + | + | + | + | ||||||||
SMxx | + | + | + | + | + | |||||||||
SM24CANA | + | |||||||||||||
SM24CANB | + | |||||||||||||
SM712 | + | |||||||||||||
SP05 | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||
SPxx | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||
SPHVxx | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||
SPHVxxC | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||
SP1001 | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||
SP1002 | + | + | + | |||||||||||
SP1003 | + | + | + | + | + | + | ||||||||
SP1004 | + | + | + | + | + | + | + | |||||||
SP1005 | + | + | + | + | + | |||||||||
SP1006 | + | + | + | + | + | |||||||||
SP1007 | + | + | + | + | ||||||||||
SP1008 | + | + | + | + | ||||||||||
SP1009 | + | + | + | |||||||||||
SP1011 | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||
SP1012 | + | + | + | |||||||||||
SP1013 | + | + | + | |||||||||||
SP1014 | + | + | + | |||||||||||
SP1015 | + | + | + | |||||||||||
SP1020 | + | + | + | + | ||||||||||
SP1021 | + | + | + | |||||||||||
SP1026 | + | + |
Рассмотрим в качестве примера организацию защиты наиболее популярных интерфейсов и приложений.
Организация защиты интерфейса RS-232
Этот интерфейс является достаточно гибким и может быть реализован различными способами. В классическом полном варианте он представляет собой шестипроводную шину с частотой передачи данных до 20 кбайт/с и биполярным уровнем сигналов с диапазоном до ±24 В. Однако в большинстве случаев используются уровни сигналов ±12 В. Существуют также и однополярные реализации с напряжениями 0…3,3 и 0…5 В.
В зависимости от уровней сигналов конкретной реализации выбираются и защитные диоды или сборки.
Если для RS-232 используются биполярные сигналы, то идеальным способом защиты станут двунаправленные ESD-сборки серии SDxxC. К примеру, если уровень сигналов составляет ±24 В, то стоит остановить свой выбор на SD24C-01FTG. Если используются сигналы ±12 В, то логично применять SD12C-01FTG (рисунок 5).
При однополярной реализации RS-232 удобно для защиты использовать многоканальные сборки SP05xx. Например, для шестипроводной шины потребуется три SP0502BAHTG (рисунок 5).
Организация защиты интерфейса LIN
Интерфейс LIN (Local Interconnect Network) изначально разрабатывался для создания дешевого и простого способа обмена данными между интеллектуальными блоками автомобиля. LIN до сих пор широко распространен, несмотря на наличие таких более скоростных шин, как CAN.
C физической точки зрения LIN представляет собой однопроводную сеть с одним мастером и несколькими ведомыми устройствами. Уровень сигналов LIN определяется напряжением бортовой сети автомобиля. То есть штатное пиковое значение для легковой машины будет лежать в диапазоне 9…15 В.
Таким образом, для защиты устройства, подключенного к шине LIN, будет достаточно одного мощного TVS-диода или сборки. В данном случае идеальным решением будет выбор компактной двунаправленной сборки SD24C-01FTG (рисунок 6).
Организация защиты устройств, подключенных к шине CAN
Изначально сетевой протокол CAN разрабатывался для использования в автомобильных приложениях. Однако он оказался столь удачным, что сейчас применяется и в промышленности, и в военной сфере, и в приборостроении.
Чаще всего CAN реализуется в виде двухпроводной шины, к которой подключаются узлы сети. Уровень сигналов может быть различным, но обычно используют диапазон 0…5 В с защитой от выбросов более 24 В.
Для защиты устройств, подключенных к шине CAN, можно использовать специализированные ESD-сборки, такие как SM24CANA-02HTG или SM24CANB-02HTG. При этом получается весьма малогабаритное решение, так как обе сборки объединяют в одном корпусе по два двунаправленных TVS-диода (рисунок 7). Рабочее напряжение для SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG составляет 24 В.
Защита может быть организована и с помощью пары более мощных одноканальных TVS-диодов, например SD36C-01FTG (рисунок 7).
Организация защиты устройств, подключенных к шине RS-485/422
Интерфейс RS-485 является одним из наиболее популярных из-за простоты реализации. Он применяется в самых различных областях электроники. Для создания такого канала потребуется всего лишь приемопередатчик и один UART, который присутствует в составе практически любого контроллера.
Наиболее часто RS-485/422 реализуется в виде дифференциальной двухпроводной шины, к которой подключаются приемопередатчики. Для полнодуплексной передачи необходима четырехпроводная шина (два дифференциальных канала).
Для передачи данных, как правило, используются сигналы с диапазоном 0…6 В, но большинство приемопередатчиков имеет встроенную защиту от напряжений +7/-12 В или даже выше.
Для дополнительной защиты приемопередатчика с однополярным питанием от статических разрядов можно использовать многоканальные ESD-сборки SP1001. Например, для защиты стандартной полудуплексной шины подойдет двухканальная сборка SP1001-02JTG в миниатюрном корпусе SC70 (рисунок 8).
Организация защиты SIM-контроллера
Интерфейс с SIM-контроллером организуется с помощью трех сигнальных линий. При этом используется стандартный логический уровень сигналов.
Для создания наиболее компактного и бюджетного решения следует использовать многоканальные сборки. В данном случае удобны в применении SP1001-04JTG или SP0503BAHTG (рисунок 9).
Защита клавиатуры и кнопок
Опрос кнопок происходит с помощью портов ввода-вывода контроллера, поэтому уровень используемых сигналов соответствует напряжению логики.
Если требуется защитить индивидуальные кнопки – логично использовать одноканальные TVS, например, SD05C-01FTG.
Для защиты нескольких кнопок или клавиатур лучше использовать многоканальные сборки. Например, для пятиканальных клавиатур идеально подойдут SP1001-05JTG и SP0505BAHTG (рисунок 10).
![]() |
![]() |
Рис. 9. Использование SP0503BAHTG для защиты SIM-контроллера | Рис. 10. Использование SP1001-05JTG и SP0505BAHTG для защиты клавиатуры |
Заключение
При создании электронных устройств важно обеспечить их защиту от помех и статических разрядов. Очень часто эта задача решается за счет использования недорогих и малогабаритных ESD-сборок. Компания Littelfuse представляет сборки TVS-диодов трех групп: сборки для низковольтных цепей, сборки для высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности.
Сборки для низковольтных приложений производства компании Littelfuse позволяют обеспечить защиту электроники в соответствии с самыми жесткими требованиями МЭК 61000-4-2. При этом они отличаются разнообразием конфигураций и корпусных исполнений.
Благодаря своей универсальности сборки этой группы способны защищать цифровые порты ввода/вывода, аналоговые цепи и низкочастотные интерфейсы RS-232, LIN, CAN, RS-485/422.
Литература
- TVS Diode Array. Transient Voltage Suppression SPA® Diode. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2013, Littelfuse.
- ESD Protection Products Brochure. 2012, Littelfuse.
- ESD Suppression Protection Design Guide. 2009, Littelfuse.
- http://www.littelfuse.com/.
Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.
SP05: TVS-сборки Littelfuse для защиты от ESD уровня ±30 кВ
Кремниевые защитные сборки SPA® (Silicon Protection Array) производства компании Littelfuse представляют собой интегрированную структуру на основе нескольких TVS-диодов в одном корпусе. Данные сборки предназначены для защиты электроники от очень быстрых и высоковольтных разрядов с крутым фронтом, вызванных последствиями молний или электростатических разрядов (ESD). Они представляют собой идеальное решение для защиты чувствительных линий интерфейсов, цифровых и аналоговых сигналов уровня 5 В в промышленной и потребительской электронике. Серия сборок SP05 семейства SPA® представляет собой 2-, 3-, 4-, 5 и 6-канальные матрицы TVS-диодов, выполненные в миниатюрных SMD-корпусах SOT23 3, SC70 3, SOT143 4, SOT23 5, SC70 5, SOT23 6, SC70 6 и MSOP 8. Данные сборки предназначены для защиты от ESD уровня ±30 кВ и обеспечивают соответствие требованиям следующих стандартов:
• IEC 61000-4-2, контактный разряд до30 кВ (уровень 4);
• IEC 61000-4-2, воздушный разряд до 30 кВ (уровень 4);
• MIL STD 8833015.7 до 30 кВ
Входная емкость сборок SP05 не превышает 30 пФ, что позволяет относить их к классу низкоемкоcтных защитных компонентов. Основное применение данной серии – это защита низковольтных интерфейсов I/O, аналоговых аудио- и видеосигналов, линий USB 1.1, интерфейсов карт памяти и SIM, LCD-дисплеев, а также кнопочных и клавиатурных шин. Рабочее напряжение на каждой из защищаемых линий рассчитано на уровень 5 В. Из отличительных особенностей серии SP05 можно выделить малые значения токов утечки (<0,1 мкА) и малое время отклика на нарастание фронта помехи (<1 нс). Сборки серии SP05 предназначены для эксплуатации в стандартном промышленном диапазоне температур 40…85°C.
Наши информационные каналы