保护 USB-PD 和 PoE 电路免受工业电源浪涌的影响

USB Type-C® 供电 (USB-PD) 和以太网供电 (PoE) 等不断发展的技术不断推动人们对快速充电应用和简化电源设计的期望。由于这些协议被用于高度集成的工业应用中，因此保护其电路免受过电应力 (EOS) 和静电放电 (ESD) 事件的影响对于确保用户安全和设备可靠性至关重要。然而，随着设备外形尺寸的不断缩小和电力需求的增加，浪涌保护变得更具挑战性。

本文简要介绍了不断发展的 USB-PD 和 PoE 技术，并说明了电路保护的基本需求。然后介绍了 Semtech 的瞬态分流抑制器 (TDS)，并解释了如何在工业和其他应用中使用这些器件来实现具有出色温度稳定性的低箝位能力。

不断扩大的 USB-PD 和 PoE 功率级别

USB-PD 和 PoE 已成为将高速数据通信和电源整合到单一电缆连接中的标准。如今，它们的数据传输速率已远远超过每秒 1 千兆位 (Gb/s)，近年来，它们的功率水平也有了大幅提升：

• PoE：2003 年，PoE（1 类）最初为每个端口提供 15.4 W 的功率，用于为无线接入点供电。到 2018 年，PoE++（4 类）支持每个端口 100 W 的功率，使得在高级工业相机等大功率应用中也能实现 PoE。
• USB-PD：2014 年，要求 USB Type-C 电缆为平板电脑等设备支持 60 W USB-PD。到 2021 年，USB-C PD 3.1 标准使 USB Type-C 能够提供 240 W 的功率，可为更大的系统充电。

由于如此大的功率负载是通过如此细小的连接器传输的，浪涌事件对使用 PoE 和 USB-PD 的系统的安全性和可靠性构成了非常现实的风险。这使得浪涌保护成为产品设计的重要组成部分，尤其是当这些产品变得更加紧凑时。

保护空间受限设备免受电源电压瞬变影响

对于通过 USB-PD 充电的紧凑型设备来说，高水平的设计集成可能会增加浪涌事件的风险。例如，元件之间的距离越短，电压尖峰或 ESD 就越容易在线路之间产生电弧。这种电弧会损坏元件，或通过增加电磁干扰 (EMI) 导致数据错误。

与浪涌相关的热量更容易导致引脚之间的绝缘体击穿，从而产生电弧和短路，进一步损坏附近的电路。当 I/O 或数据线上出现电源尖峰时，设备的敏感元件就有可能因 EOS 或 ESD 而立即受到严重损坏。

电源电压瞬变也会危及电气安全，并由于大电流短路而增加火灾风险。因此，必须快速检测到输入电源的异常，并在发生损坏之前将高电压和高电流从关键应用电路中转移出去。

为了在多种应用中提供有效保护，瞬态抑制元件应具备以下性能特点：

• 箝位电压应非常接近受保护电路的工作电压，以确保即使是轻微的过压或 ESD 事件也能被抑制。具体合适的箝位电压取决于所使用的 USB-PD 或 PoE 标准。
• 无论脉冲电流幅值或工作温度如何，箝位电压都保持一致，从而简化了条件多变的系统中的保护工作。
• 浪涌和 ESD 抗扰度保护元件必须非常坚固耐用，即使在雷击等最恶劣的情况下也能保持正常工作。
• 需要使用适合空间日益紧张的安装环境的紧凑元件。

浪涌保护新方法

Semtech SurgeSwitch TDS 可满足或超越这些应用要求。该系列器件结构紧凑，可针对 USB-PD 和 PoE 的各种工作电压下的高 EOS 和 ESD 事件提供单线保护。整个系列的主要规格包括：

• 8/20 μs 波形下的峰值脉冲电流能力为 40 A
• 浪涌抗扰度为 2 级 ±1 kV，符合 IEC 61000-4-5 标准
• ESD 抗扰度超过 4 级（8 kV 接触放电和 15 kV 空气放电）

SurgeSwitch TDS（图 1）的内部机制与瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管等传统浪涌保护装置有很大不同。

图 1：SurgeSwitch TDS 器件采用基于 FET 的分流机制，可在不可预测的浪涌条件下提供稳定的箝位。（图片来源：Semtech）

Semtech TDS 并非依靠传统的 PN 结击穿机制，而是采用一种浪涌级场效应晶体管 (FET)，来保护敏感元件免受 EOS 和 ESD 事件的伤害。这种 FET 与驱动电路配对，通过精确调节的触发电路激活，形成一个电压控制开关，作为击穿机制。当瞬态电压升高超过器件的额定击穿电压时，触发电路会激活分流 FET，将其接通并将瞬态电流分流到地。

通过采用具有超低导通电阻的 FET 开关机制，SurgeSwitch 器件可在很宽的工作温度和峰值脉冲电流范围内实现一致的箝位电压。这使得 USB-PD 和 PoE 能够集成到要求更高的工业应用中，这些应用需要可预测的浪涌保护，以支持在各种工作条件下进行部署。

选择合适的 TDS 解决方案

选择合适的 SurgeSwitch 器件主要取决于应用的工作电压，因为这决定了电路保护所需的箝位电压。对于更高的电压，TDS5801P.C（图 2）可保护一条工作电压为 58 V 的 I/O 或电源线，这是典型的 PoE 电压。该器件采用 1.6 mm × 1.6 mm × 0.55 mm 封装，可实现高度空间优化。

图 2：TDS5801P.C 可为工作电压为 58 V 的线路提供稳健的浪涌保护。（图片来源：Semtech）

TDS5801P.C 规格如下：

• 峰值脉冲额定功率：8/20 μs 下 1 490 W
• 峰值脉冲电流：8/20 μs 下 20 A
• 供电箝位电压：70.2 V（典型值）
• ESD 箝位电压：低至 4.4 V
• 额定 ESD 电压：
  • 空气：±20 千伏
  • 接触：±15 kV

TDS5801P.C TDS 具有高额定脉冲功率和低 ESD 箝位电压，适用于户外 PoE 应用，如监控相机、远程仪表和网络设备，因为恶劣的天气会加剧 ESD。在这些应用中，-55°C 至 +125°C 的扩展工作温度范围对于保持稳定的保护至关重要，且不受季节条件的影响。

相比之下，TDS0521PW.C（图 3）为物联网 (IoT) 设备中使用的 5 V 工作电压和低功耗 USB-PD 的 VBUS 线路提供了解决方案。该 TDS 采用 1.6 mm × 1.0 mm × 0.55 mm 封装，带可润湿侧翼，适用于平面安装，可服务于高集成度设备。

图 3：TDS0521PW.C 采用紧凑型双引线封装，可在空间有限的设计中提供浪涌保护。（图片来源：Semtech）

TDS0521PW.C 的主要规格如下：

• 峰值脉冲额定功率：8/20 μs 下 412 W
• 峰值脉冲电流：
  • 8/20 μs 下 40 A
  • 10/1000 μs 下 8 A
• 供电箝位电压：8.7 V（典型值），可用于 40 A 脉冲
• 额定 ESD 电压：±30 kV（空气和接触）

对于敏感的低压设备，该设备可提供出色的保护，防止发生高电平浪涌事件，尤其是在充电期间连接到主电源时。

对于 22 V 工作电压下的类似保护，TDS2261P.C（图 4）是一款适合工业平板电脑等中端 USB-PD 应用的 TDS。TDS2261P.C 规格如下：

• 峰值脉冲额定功率：8/20 μs 下 1120 W
• 峰值脉冲电流：
  • 8/20 μs 下 40 A
  • 10/1000 μs 下 3 A
• 供电箝位电压：27.7 V（典型值），用于 40 A 脉冲
• 额定 ESD 电压：
  • 空气：±30 千伏
  • 接触：±20 kV

图 4：TDS2261P.C 为短时脉冲电流高达 40 A 的 22 V 系统提供了多功能保护。（图片来源：Semtech）

尽管 TDS2261P.C 是最大的 SurgeSwitch 器件，尺寸为 2 mm × 2 mm × 0.75 mm，但它仍为空间受限型设备的高 EOS 和 ESD 保护提供了紧凑的解决方案。除 USB-PD 外，其他目标应用还包括存储设备和工业传感器。

结语

随着 USB-PD 和 PoE 标准不断扩大电力传输性能，在高集成度设备设计中，稳健的浪涌保护变得极具挑战性。Semtech SurgeSwitch 系列克服了设计挑战，其箝位电压在广泛的温度和脉冲电流范围内保持了一致性。它们还能在不同的线路电压和运行条件下提供可靠的保护，防止恶劣的电力异常。