Protéger les circuits USB-PD et PoE contre les surtensions industrielles

Les technologies en constante évolution, comme USB Type-C® Power Delivery (USB-PD) et Power over Ethernet (PoE), suscitent des attentes toujours plus grandes en matière d'applications de charge rapide et de conception d'alimentation rationalisée. Ces protocoles étant utilisés dans des applications industrielles et hautement intégrées, il est essentiel de protéger leurs circuits contre les surcharges électriques (EOS) et les décharges électrostatiques (DES) afin de garantir la sécurité des utilisateurs et la fiabilité des dispositifs. Cependant, face à l'augmentation des besoins en énergie et à la miniaturisation croissante des composants, la protection contre les surtensions devient plus difficile.

Cet article analyse l'évolution des technologies USB-PD et PoE, et met en évidence l'importance cruciale de la protection des circuits. Il présente ensuite les dispositifs TDS (Transient Diverting Suppressor) de Semtech et explique comment ces dispositifs peuvent être utilisés pour fournir un faible blocage avec une excellente stabilité en température dans les applications industrielles et autres.

Les niveaux de puissance croissants de PoE et USB-PD

Les technologies USB-PD et PoE sont devenues la norme pour combiner les communications de données haut débit et l'alimentation électrique dans une seule connexion par câble. Leurs débits de données dépassent aujourd'hui largement 1 Gbps, et ces dernières années, leurs niveaux de puissance ont connu une augmentation spectaculaire :

• PoE : en 2003, la technologie PoE (Type 1) fournissait initialement 15,4 W par port pour alimenter les points d'accès sans fil. En 2018, le PoE++ (Type 4) prenait en charge 100 W par port, permettant ainsi l'utilisation du PoE dans les applications haute puissance telles que les caméras industrielles avancées.
• USB-PD : en 2014, les câbles USB Type-C devaient prendre en charge la norme USB-PD 60 W pour des dispositifs tels que les tablettes. En 2021, la norme USB-C PD 3.1 a permis à l'USB Type-C de fournir 240 W pour charger des systèmes plus grands.

Avec des charges électriques aussi importantes transmises via des connecteurs à pas aussi fin, les surtensions sont devenues un risque très réel pour la sécurité et la fiabilité des systèmes utilisant le PoE et USB-PD. De ce fait, la protection contre les surtensions constitue un élément crucial de la conception des produits, en particulier à mesure que ces produits deviennent plus compacts.

Protection des dispositifs à espace restreint contre les surtensions transitoires

Pour les dispositifs compacts chargés via USB-PD, des niveaux élevés d'intégration de conception peuvent augmenter le risque d'événements de surtension. Par exemple, des distances plus courtes entre les composants favorisent la formation d'arcs électriques entre les pistes, en cas de pics de tension ou de décharges électrostatiques. Ces arcs électriques peuvent endommager les composants ou provoquer des erreurs de données en raison d'une augmentation des interférences électromagnétiques (EMI).

La chaleur liée aux surtensions est plus susceptible de provoquer un claquage de l'isolant entre les broches, entraînant la formation d'arcs et des courts-circuits qui endommagent davantage les circuits environnants. Lorsque des pointes de puissance surviennent sur les lignes d'E/S ou de données, les composants les plus sensibles d'un dispositif risquent de subir des dommages graves et immédiats dus aux événements EOS et DES.

Les surtensions transitoires peuvent également compromettre la sécurité électrique et augmenter le risque d'incendie en raison de courts-circuits à fort courant. Ces facteurs font qu'il est essentiel de détecter rapidement les anomalies d'alimentation entrante et de détourner les hautes tensions et forts courants des circuits d'application critiques avant qu'ils ne soient endommagés.

Pour une protection efficace dans de nombreuses applications, les composants de suppression des transitoires doivent présenter les caractéristiques de performances suivantes :

• Les tensions de blocage doivent être très proches de la tension de fonctionnement du circuit protégé afin de garantir la suppression de toute décharge électrostatique ou surtension, même minime. Le blocage approprié dépend de la norme USB-PD ou PoE utilisée.
• Une tension de blocage constante, quelle que soit l'amplitude du courant d'impulsion ou la température de fonctionnement, rationalise la protection dans les systèmes où les conditions sont variables.
• Les composants de protection contre les surtensions et les décharges électrostatiques doivent être extrêmement robustes pour rester fonctionnels même en cas d'événements extrêmes, tels que la foudre.
• Des composants compacts adaptés aux installations à espace de plus en plus restreint sont requis.

Approche innovante en matière de protection contre les surtensions

Les dispositifs TDS SurgeSwitch de Semtech sont conçus pour répondre à ces exigences applicatives, voire les dépasser. Cette gamme de dispositifs compacts offre une protection monoligne contre les événements EOS et DES importants pour toute la plage de tensions de fonctionnement USB-PD et PoE. Les principales caractéristiques techniques de la série incluent les suivantes :

• Tenue en courant d'impulsion de crête de 40 A à 8/20 μs
• Immunité aux surtensions de niveau 2 ±1 kV conformément à la norme CEI 61000-4-5
• Immunité aux décharges électrostatiques dépassant le niveau 4 (8 kV, contact et 15 kV, décharge dans l'air)

Le mécanisme interne du dispositif TDS SurgeSwitch (Figure 1) diffère considérablement de celui des dispositifs de protection contre les surtensions traditionnels, tels que les diodes de suppression de tension transitoire (TVS).

Figure 1 : Le mécanisme shunt basé FET des dispositifs TDS SurgeSwitch assure un blocage constant même en cas de surtensions imprévisibles. (Source de l'image : Semtech)

Au lieu de s'appuyer sur une jonction PN conventionnelle pour le claquage, les dispositifs TDS de Semtech utilisent un transistor à effet de champ (FET) résistant aux surtensions pour protéger les composants sensibles contre les événements EOS et DES. Associé à un circuit de commande, ce FET est activé par un circuit de déclenchement réglé avec précision pour former un commutateur commandé en tension qui agit comme mécanisme de claquage. Lorsqu'une tension transitoire dépasse la tension de claquage nominale d'un dispositif, le circuit de déclenchement active le FET shunt, détournant le courant transitoire vers la terre.

En utilisant un mécanisme de commutation basé FET avec une résistance à l'état passant ultrafaible, les dispositifs SurgeSwitch peuvent atteindre des tensions de blocage constantes sur une large plage de températures de fonctionnement et de courants d'impulsion de crête. Cela permet l'intégration de PoE et USB-PD dans des applications industrielles plus exigeantes qui requièrent une protection prévisible contre les surtensions pour prendre en charge les déploiements dans de nombreuses conditions de fonctionnement.

Sélectionner la solution TDS appropriée

Le choix du dispositif SurgeSwitch approprié dépend principalement de la tension de fonctionnement de l'application, car celle-ci détermine la tension de blocage requise pour la protection des circuits. Pour les tensions plus élevées, le TDS5801P.C (Figure 2) protège une ligne d'E/S ou d'alimentation fonctionnant à 58 V, une valeur typique pour PoE. Ce dispositif est disponible dans un boîtier de 1,6 mm × 1,6 mm × 0,55 mm, offrant de hauts niveaux d'optimisation de l'espace.

Figure 2 : Le TDS5801P.C fournit une protection robuste contre les surtensions pour les lignes fonctionnant à 58 V. (Source de l'image : Semtech)

Le TDS5801P.C présente les caractéristiques suivantes :

• Puissance d'impulsion nominale de crête : 1490 W à 8/20 µs
• Courant d'impulsion de crête : 20 A à 8/20 μs
• Tension de blocage d'alimentation : 70,2 V (typ.)
• Tension de blocage DES : 4,4 V
• Tensions DES nominales :
  • Air : ±20 kV
  • Contact : ±15 kV

Avec une haute puissance d'impulsion nominale et une faible tension de blocage DES, le dispositif TDS TDS5801P.C convient aux applications PoE en extérieur telles que les caméras de surveillance, les compteurs à distance et les équipements de réseau, pour lesquels des conditions météorologiques défavorables peuvent amplifier les DES. Dans ces applications, la plage de températures de fonctionnement étendue de -55°C à +125°C est également essentielle pour maintenir une protection constante, quelles que soient les conditions saisonnières.

Le TDS0521PW.C (Figure 3), quant à lui, fournit une solution pour les tensions de fonctionnement de 5 V utilisées dans les dispositifs Internet des objets (IoT) et les lignes VBUS pour l'USB-PD basse consommation. Pour les dispositifs hautement intégrés, les dispositifs TDS sont disponibles en boîtier de 1,6 mm × 1,0 mm × 0,55 mm, avec flancs mouillables pour le montage à plat.

Figure 3 : Avec un boîtier compact à deux sorties, le TDS0521PW.C permet la protection contre les surtensions dans les conceptions à espace restreint. (Source de l'image : Semtech)

Les spécifications clés du TDS0521PW.C incluent les suivantes :

• Puissance d'impulsion nominale de crête : 412 W à 8/20 µs
• Courant d'impulsion de crête :
  • 40 A à 8/20 μs
  • 8 A à 10/1000 μs
• Tension de blocage d'alimentation : 8,7 V (typ.) pour impulsion de 40 A
• Tension DES nominale : ±30 kV (air et contact)

Pour les équipements basse tension sensibles, ce dispositif offre une excellente protection contre les surtensions élevées, notamment lorsqu'il est connecté à la source d'alimentation primaire pendant la charge.

Pour une protection similaire à des tensions de fonctionnement de 22 V, le TDS2261P.C (Figure 4) est un dispositif TDS adapté aux applications USB-PD de milieu de gamme telles que les tablettes PC industrielles. Le TDS2261P.C présente les caractéristiques suivantes :

• Puissance d'impulsion nominale de crête : 1120 W à 8/20 µs
• Courant d'impulsion de crête :
  • 40 A à 8/20 μs
  • 3 A à 10/1000 μs
• Tension de blocage d'alimentation : 27,7 V (typ.) pour impulsion de 40 A
• Tensions DES nominales :
  • Air : ±30 kV
  • Contact : ±20 kV

Figure 4 : Le TDS2261P.C offre une protection polyvalente pour les systèmes 22 V dans lesquels les courants d'impulsion de courte durée atteignent 40 A. (Source de l'image : Semtech)

Bien qu'il s'agisse du plus grand des dispositifs SurgeSwitch, avec des dimensions de 2 mm × 2 mm × 0,75 mm, le TDS2261P.C offre néanmoins une solution compacte pour une haute protection EOS et DES dans les dispositifs à espace restreint. Outre USB-PD, les autres applications cibles incluent les dispositifs de stockage et les capteurs industriels.

Conclusion

Tandis que les normes USB-PD et PoE continuent d'améliorer les performances de distribution d'alimentation, le défi consiste à fournir une protection robuste contre les surtensions dans les conceptions de dispositifs hautement intégrés. La série SurgeSwitch de Semtech relève les défis de conception grâce à des tensions de blocage qui restent constantes sur une large plage de températures et de courants d'impulsion. Elle garantit également une protection fiable contre les anomalies de puissance sévères, et ce, quelles que soient les tensions de ligne et les conditions de fonctionnement.