Schutz von USB-PD- und PoE-Schaltungen vor industriellen Überspannungen

Sich weiterentwickelnde Technologien wie USB Typ-C® Power Delivery (USB-PD) und Power over Ethernet (PoE) treiben die Erwartungen an Schnellladeanwendungen und ein optimiertes Stromversorgungsdesign kontinuierlich voran. Da diese Protokolle in hochintegrierten und industriellen Anwendungen eingesetzt werden, ist der Schutz ihrer Schaltungen vor elektrischer Überlastung (EOS) und elektrostatischer Entladung (ESD) von entscheidender Bedeutung, um die Sicherheit der Benutzer und die Zuverlässigkeit der Geräte zu gewährleisten. Da jedoch der Energiebedarf bei immer kleiner werdenden Formfaktoren steigt, wird der Überspannungsschutz immer schwieriger.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die sich entwickelnde Landschaft der USB-PD- und PoE-Technologien und verdeutlicht die Notwendigkeit des Schutzes von Stromkreisen. Anschließend werden die TDS-Komponenten (Transient Diverting Suppressors) von Semtech vorgestellt und erläutert, wie diese Bauelemente in industriellen und anderen Anwendungen für eine niedrige Klemmspannung bei hervorragender Temperaturstabilität sorgen können.

Die wachsenden Leistungsstufen von USB-PD und PoE

USB-PD und PoE haben sich zum Standard für die Kombination von Highspeed-Datenübertragung und Stromversorgung in einer einzigen Kabelverbindung entwickelt. Ihre Datenübertragungsraten liegen heute weit über 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s), und in den letzten Jahren ist ihre Leistung drastisch gestiegen:

• PoE: Im Jahr 2003 bot PoE (Typ 1) zunächst 15,4 W pro Anschluss für die Stromversorgung von drahtlosen Zugangspunkten. Seit 2018 unterstützte PoE++ (Typ 4) 100 W pro Port und ermöglichte PoE in Hochleistungsanwendungen wie modernen Industriekameras.
• USB-PD: Im Jahr 2014 mussten USB-Typ-C-Kabel 60 W USB-PD für Geräte wie Tablet-PCs unterstützen. Seit 2021 ermöglicht der Standard USB-C PD 3.1 eine Leistung von 240 W für das Laden größerer Systeme.

Bei so großen Stromlasten, die über so fein abgestufte Steckverbinder übertragen werden, sind Überspannungsereignisse zu einem sehr realen Risiko für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Systemen geworden, die PoE und USB-PD verwenden. Dies macht den Überspannungsschutz zu einem wichtigen Bestandteil des Produktdesigns, insbesondere da diese Produkte immer kompakter werden.

Schutz von Geräten mit eingeschränktem Platzangebot vor Netzspannungstransienten

Bei kompakten Geräten, die über USB-PD geladen werden, kann ein hohes Maß an Designintegration das Risiko von Überspannungsereignissen erhöhen. Kürzere Abstände zwischen den Bauteilen machen es zum Beispiel leichter, dass Spannungsspitzen oder ESD zu Lichtbögen zwischen den Leiterbahnen führen. Diese Lichtbögen können Bauteile beschädigen oder durch erhöhte elektromagnetische Störungen (EMI) Datenfehler verursachen.

Überspannungsbedingte Hitze führt mit größerer Wahrscheinlichkeit zu einem Durchbruch der Isolierung zwischen den Stiften, was zu Lichtbögen und Kurzschlüssen führt, die nahe gelegene Schaltkreise weiter beschädigen. Wenn Stromspitzen auf I/O- oder Datenleitungen auftreten, besteht für die empfindlicheren Komponenten eines Geräts die Gefahr schwerer und unmittelbarer Schäden durch EOS oder ESD.

Spannungsspitzen können auch die elektrische Sicherheit beeinträchtigen und die Brandgefahr durch Hochstromkurzschlüsse erhöhen. Diese Faktoren machen es unabdingbar, dass eingehende Stromanomalien schnell erkannt und hohe Spannungen und Ströme von kritischen Anwendungsschaltungen abgeleitet werden, bevor Schäden entstehen können.

Für einen wirksamen Schutz bei vielen Anwendungen sollten die Komponenten zur Unterdrückung von Überspannungen die folgenden Leistungsmerkmale aufweisen:

• Die Klemmenspannungen sollten sehr nahe an der Betriebsspannung der geschützten Schaltung liegen, um sicherzustellen, dass selbst geringe Überspannungen oder ESD-Ereignisse unterdrückt werden. Die geeignete Klemmung hängt von dem verwendeten USB-PD- oder PoE-Standard ab.
• Eine gleichbleibende Klemmspannung, unabhängig von der Amplitude des Impulsstroms oder der Betriebstemperatur, optimiert den Schutz in Systemen, in denen die Bedingungen variieren.
• Überspannungs- und ESD-Schutzkomponenten müssen äußerst robust sein, damit sie auch bei schwersten Ereignissen wie Blitzeinschlägen funktionsfähig bleiben.
• Es werden kompakte Komponenten benötigt, die sich für immer enger werdende Installationen eignen.

Ein neuer Ansatz für den Überspannungsschutz

Die TDS-Komponenten der Serie SurgeSwitch von Semtech sind so konzipiert, dass sie diese Anwendungsanforderungen erfüllen oder sogar übertreffen. Diese Familie kompakter Komponenten bietet einen Schutz einzelner Leitungen gegen hohe EOS- und ESD-Ereignisse für den gesamten Bereich der USB-PD- und PoE-Betriebsspannungen. Zu den wichtigsten Spezifikationen der Serie gehören:

• Belastbarkeit gegen Impulsspitzen von 40 A bei 8/20 μs
• Überspannungsfestigkeit bis Stufe 2 ±1 kV gemäß IEC 61000-4-5
• ESD-Störfestigkeit über Stufe 4 (8 kV Kontakt und 15 kV Luftentladung)

Der interne Mechanismus des SurgeSwitch-TDS (Abbildung 1) unterscheidet sich erheblich von dem herkömmlicher Überspannungsschutzkomponenten, wie z. B. TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor).

Abbildung 1: Der FET-basierte Shunt-Mechanismus der SurgeSwitch-TDS-Bauelemente bietet eine konsistente Klemmung unter unvorhersehbaren Überspannungsbedingungen. (Bildquelle: Semtech)

Anstatt sich auf einen herkömmlichen PN-Übergang für den Durchbruch zu verlassen, verwenden die TDS von Semtech einen überspannungsfesten Feldeffekttransistor (FET), um empfindliche Komponenten vor EOS- und ESD-Ereignissen zu schützen. In Verbindung mit einer Treiberschaltung wird dieser FET durch eine genau abgestimmte Triggerschaltung aktiviert, um einen spannungsgesteuerten Schalter zu bilden, der als Durchbruchmechanismus dient. Wenn eine transiente Spannung über die Nenndurchbruchsspannung einer Komponente hinaus ansteigt, aktiviert die Triggerschaltung den Shunt-FET, schaltet ihn ein und leitet den transienten Strom zur Erde ab.

Durch die Verwendung eines FET-basierten Schaltmechanismus mit einem extrem niedrigen Einschaltwiderstand können SurgeSwitch-Bauteile über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen und Impulsspitzenströmen konsistente Klemmspannungen erreichen. Dies ermöglicht die Integration von USB-PD und PoE in anspruchsvollere industrielle Anwendungen, die einen vorhersehbaren Überspannungsschutz erfordern, um den Einsatz in einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen zu unterstützen.

Die Auswahl der richtigen TDS-Lösung

Die Auswahl der richtigen SurgeSwitch-Komponente hängt in erster Linie von der Betriebsspannung der Anwendung ab, da diese die für den Stromkreisschutz erforderliche Klemmspannung bestimmt. Bei höheren Spannungen schützt der TDS5801P.C (Abbildung 2) eine I/O- oder Stromversorgungsleitung, die mit 58 V betrieben wird, was typisch für PoE ist. Dieser Baustein ist in einem 1,6 mm × 1,6 mm × 0,55 mm großen Gehäuse erhältlich, das ein hohes Maß an Platzoptimierung ermöglicht.

Abbildung 2: Der TDS5801P.C bietet robusten Überspannungsschutz für Leitungen, die mit 58 V betrieben werden. (Bildquelle: Semtech)

Der TDS5801P.C bietet:

• Impulsspitzenleistung: 1490 W bei 8/20 μs
• Impulsspitzenstrom: 20 A bei 8/20 μs
• Versorgungsklemmspannung: 70,2 V (typ.)
• ESD-Klemmspannung: ab 4,4 V
• ESD-Spannungswerte:
  • Luft: ±20 kV
  • Kontakt: ±15 kV

Mit einer hohen Impulsleistung und einer niedrigen ESD-Klemmenspannung eignet sich der TDS5801P.C für PoE-Anwendungen im Außenbereich, wie z. B. Überwachungskameras, ferngesteuerte Messgeräte und Netzwerkgeräte, bei denen ungünstige Witterungsbedingungen ESD verstärken können. Bei diesen Anwendungen ist auch der erweiterte Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +125°C entscheidend für die Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden Schutzes, unabhängig von den jahreszeitlichen Bedingungen.

Im Gegensatz dazu bietet der TDS0521PW.C (Abbildung 3) eine Lösung für 5V-Betriebsspannungen, die in Komponenten des Internet der Dinge (IoT) verwendet werden, sowie VBUS-Leitungen für USB-PD niedriger Leistung. Um hochintegrierte Geräte zu bedienen, ist der TDS in einem 1,6 mm × 1,0 mm × 0,55 mm großen Gehäuse mit seitlich benetzbaren Flanken für die flache Montage erhältlich.

Abbildung 3: Mit seinem kompakten Zwei-Leiter-Gehäuse ermöglicht der TDS0521PW.C Überspannungsschutz in platzbeschränkten Designs. (Bildquelle: Semtech)

Zu den wichtigsten Spezifikationen des TDS0521PW.C gehören:

• Impulsspitzenleistung: 412 W bei 8/20 μs
• Impulsspitzenstrom:
  • 40 A bei 8/20 μs
  • 8 A bei 10/1000 μs
• Versorgungsklemmspannung: 8,7 V (typ.) für 40 A Impuls
• ESD-Spannungsfestigkeit: ±30 kV (Luft und Kontakt)

Für empfindliche Niederspannungsgeräte bietet diese Komponente einen hervorragenden Schutz gegen hohe Überspannungen, insbesondere wenn es während des Ladevorgangs an die primäre Stromquelle angeschlossen ist.

Der TDS2261P.C (Abbildung 4) bietet einen ähnlichen Schutz bei 22 V Arbeitsspannung und eignet sich für USB-PD-Anwendungen der mittleren Leistungsklasse, wie z. B. industrielle Tablet-PCs. Der TDS2261P.C bietet:

• Impulsspitzenleistung: 1120 W bei 8/20 μs
• Impulsspitzenstrom:
  • 40 A bei 8/20 μs
  • 3 A bei 10/1000 μs
• Versorgungsklemmspannung: 27,7 V (typ.) für 40 A Impuls
• ESD-Spannungswerte:
  • Luft: ±30 kV
  • Kontakt: ±20 kV

Abbildung 4: Der TDS2261P.C bietet vielseitigen Schutz für 22V-Systeme, in denen kurzzeitige Impulsströme bis zu 40 A erreicht werden.

Obwohl der TDS2261P.C mit Abmessungen von 2 mm × 2 mm × 0,75 mm der größte der SurgeSwitch-Bausteine ist, bietet er dennoch eine kompakte Lösung für hohen EOS- und ESD-Schutz in platzbeschränkten Geräten. Neben USB-PD gehören auch Speicherkomponenten und industrielle Sensoren zu den Zielanwendungen.

Fazit

Da die USB-PD- und PoE-Standards die Stromversorgungsleistung immer weiter erhöhen, wird ein robuster Überspannungsschutz in hochintegrierten Gerätedesigns zur Herausforderung. Die SurgeSwitch-Serie von Semtech meistert die Herausforderungen des Designs mit Klemmspannungen, die über einen breiten Temperatur- und Impulsstrombereich konstant bleiben. Sie bieten auch zuverlässigen Schutz vor rauen Stromanomalien bei unterschiedlichen Netzspannungen und Betriebsbedingungen.