A TVS diódákról szóló általános írásunkban részletesen körüljártuk az elektrosztatikus feltöltődés elleni – tranziens szupresszordiódával való – védekezés alapjait. Ebben a cikkben szeretnénk konkrét megvalósítási példákon keresztül bemutatni a leggyakrabban használt I/O portok számára fejlesztett ESD védőeszközöket, valamint a vonatkozó szabványi előírásokat. Részletesen bemutatjuk az USD, HDMI és ethernetportok számára ajánlott eszközöket és megoldásokat
Túlfeszültség elleni védelem TVS diódával
Az IEC 61000-4-2 szabvány definiálja az emberi test által keltett ESD-esemény lefolyását, és feszültség tekintetében négy szintet különböztet meg, egészen 8 kV kontakt és 15 kV levegőkisülés-értékig. A szabvány célja, hogy a tervezőket segítse az elegendő mértékű védelem kiválasztásában, legyen bár a tranziens ESD, EFT, surge, villám vagy helytelen bekötés következménye.
A félvezetőgyártók az 1-es szintű (Level 1) védelmet (1-2 kV) gyakran beépítik az eszközeikbe a gyártás során fellépő zavarok hatásának minimalizálására, azonban a valós körülmények között fellépő ESD akár 15 kV is lehet, ezért a beépített védelmet csak másodlagos szintnek szabad tekinteni, és szükség van egy primer védelemre is 8 kV kontakt és 15 kV levegő-kisülés-impulzusok ellen.
Az ESD-védelem kiválasztásánál figyelembe kell venni a következőket:
- Az eszközre jellemző triggerfeszültség, mely alatt a védelem láthatatlan.
- A védőeszköz ún. „overshoot" feszültsége, ahol az megszólal.
- A feszültségkorlát mértéke (clamping voltage), melyre a védőeszköz a kimenetén megjelenő feszültséget korlátozza.
Adatvonalak túlfeszültség-védelme
A tápegységekben megtalálható nagyszámú induktív és kapacitív passzív komponens jelenléte miatt ezek az eszközök általában immúnisak az ESD-re, igaz, a tápvonalakat védeni szokták. Az adatvonalakon alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök kapacitása azonban komoly problémát jelent magas baud rate esetén. A soros ellenállás a terhelés kapacitásával együtt alkotja az első szűrőt, mely lassítja a jel fel- és lefutását. A hatásos ellenállás csökkentése lehetséges a rézkeresztmetszetek növelésével, de a nagy sebességek eléréséhez az igazi megoldást a kapacitás csökkentése jelenti.
USB portok védelme
Az univerzális soros buszrendszerek nagyarányú elterjedése ipari szabvánnyá tette ezt a megoldást a számítástechnikai és szórakoztatóelektronikai termékek piacán. Mára nemcsak az adatátvitelben, de a készülékek töltésében is jelentős szerepet kapott. A hot-swap jelleg és a rendkívül sok lehetséges meghibásodás miatt ezeket az eszközöket túláram és túlfeszültség ellen is védeni kell. Az USB 1.1 12 Mibit/s, a 2.0-s szabvány 480 Mibit/s, az új 3.0 szabvány pedig akár 5 Gibit/s adatátviteli sebességet támogat, emiatt rendkívül fontos a kis kapacitású TVS dióda alkalmazása.
Az USB 1.1 és 2.0 védelmére a Protek Devices a PLR0502 eszközt fejlesztette ki, mely SOT-543 tokozásban az 5 V-os Vbus vonal ESD-védelmét szolgálja. Mindezt 0,6 pF kapacitásértékkel teszi, szinte alig jelen lévő szivárgási árammal, így használata akár a 2.0-ás szabvány 480 Mibit/s adatátvitele mellett sem jelent problémát.
Az USB 3.0 2008. novemberi megjelenése generációs váltást hozott a technológia számára, az adatátviteli vonalakat megháromszorozta (3 differenciális érpár az eddigi 1 helyett), lefelé történő kompatibilitást biztosítva az USB 2.0 HS, FS és LS módjaival, míg bevezette a SuperSpeed nagy sebességű adatlink módot. Ez a konstrukció az eddigiektől eltérő kábelspecifikációt eredményez, 3 differenciálisan csatolt jelvonalat (Tx+/Tx download, Rx+/Rx-upload és D+/D-), valamint két külön vezetéket a Vcc és a GND számára. A Protek TVS megoldása a PLR0506, mely DFN-8 tokozásban 6 vonal számára kínál ESD-védelmet 0,8 pF kapacitással. Kiegészítésképpen a Vbus vonal megvédhető a GBLC05C vagy PSD05C eszközökkel.
HDMI portok védelme
A HDMI-szabványt a nagy felbontású video- és audiojelek egy kábelen való továbbítására fejlesztették ki, ennélfogva igen gyors, 18 Gibit/s adatátviteli sebesség jellemzi. Mivel ez a port jellemzően fogyasztási termékekben használatos, gyakorlatilag elegendő az ESD-védelem alkalmazása. A Protek két, megoldást kínál a 12 adatvonal védelmére, két 6-vonalas PLR0506 vagy három, négyvonalas PLR0524P mátrixot használhatunk. Mindkét megoldás igényli a Vbus vonal ESD és surge elleni védelmét egy diszkrét védődióda, a PSD05HP beépítésével.
Ethernetportok védelme
Az ethernetport védelmének első eleme maga az elválasztó transzformátor, mely elsődlegesen a jelfeldolgozó elektronika és az adatvonalak elválasztását biztosítja. Egy átlagos ethernet-transzformátor általában képes elviselni 200-300 A 2/10 µs tranzienst, ha ez elegendő, akkor csak szekunder oldali védelemre van szükség, hogy az ethernet IC-t megvédjük a telítésig átvitt tranziens energiától, ami azt túlterhelné. TVS diódás megoldást másodlagos védelemként használhatunk, ilyen például a PLR0504F eszköz.
A transzformátor primer oldalán történő védekezés célja az RJ45 csatlakozón keresztül érkező nagy energiájú zavar minimalizálása, ha a transzformátor nem jelent önmagában elég védelmet. Egy SRV25-4 eszköz az RJ45 csatlakozó közelében való elhelyezése 25 kV ESD és 40 A 8/20 µs surge elleni védelmet nyújt, emellett a 3,5 pF kapacitása elegendően alacsony a nagysebességű adatátvitelhez.
Alternatív megoldás lehet a PLC03-3.3 (3,3 V-os rendszerekhez), vagy PLC03-6 (5 V-os rendszerekhez) használata, melyek integrált TVS diódát és diódahidat is tartalmaznak.
A különböző portok védelmére fejlesztett dedikált megoldások közül a helyes kiválasztásához igyekszik segítséget adni a táblázat is.
