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

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

Рис. 1. Внешний вид и конфигурация ESD-
сборок серии SDxxC

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

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).

Рис. 2. Внешний вид и конфигурация ESD-сборок серии SP05xx

Таблица 3. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx

Рис. 3. Внешний вид и конфигурация ESD-
сборок для защиты CAN-шины SM24CANAи
SM24CANB

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

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.

Рис. 4. Внешний вид и конфигурация ESD-сборок серии SP1001xx

Таблица 5. Характеристики ESD-сборок серии SP1001xx

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

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).

Рис. 5. Использование ESD-сборки SP0502BAHTG для защиты RS-232

Организация защиты интерфейса LIN

Рис. 6. Использование SD24C-01FT G для защиты устройства, подключенного к LIN-шине

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).

Рис. 7. Использование SD36C-01FT G для защиты устройства, подключенного к CAN-шине

Организация защиты устройств, подключенных к шине RS-485/422

Рис. 8. Использование SP1001-02JTG для защиты устройства, подключенного к шине RS-485

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

1. TVS Diode Array. Transient Voltage Suppression SPA® Diode. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2013, Littelfuse.
2. ESD Protection Products Brochure. 2012, Littelfuse.
3. ESD Suppression Protection Design Guide. 2009, Littelfuse.
4. http://www.littelfuse.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.