Protección de circuitos USB-PD y PoE contra sobretensiones industriales

Las tecnologías en evolución, como USB Type-C® Power Delivery (USB-PD) y Power over Ethernet (PoE), impulsan continuamente las expectativas de aplicaciones de carga rápida y diseño de alimentación optimizado. Dado que estos protocolos se utilizan en aplicaciones industriales y altamente integradas, la protección de sus circuitos frente a sobrecargas eléctricas (EOS) y descargas electrostáticas (ESD) es esencial para garantizar la seguridad de los usuarios y la fiabilidad de los dispositivos. Sin embargo, a medida que aumenta la demanda de energía en factores de forma cada vez más reducidos, la protección contra sobretensiones se convierte en un desafío cada vez mayor.

Este artículo esboza el panorama en evolución de las tecnologías USB-PD y PoE, ilustrando la necesidad esencial de protección de circuitos. A continuación, presenta los supresores de desviación de transitorios (TDS) de Semtech y explica cómo pueden utilizarse estos dispositivos para proporcionar una baja sujeción con una excelente estabilidad de temperatura en aplicaciones industriales y de otro tipo.

Los crecientes niveles de potencia de USB-PD y PoE

USB-PD y PoE se han convertido en el estándar para combinar comunicaciones de datos de alta velocidad y alimentación en una única conexión por cable. Sus velocidades de transmisión de datos superan hoy con creces 1 gigabit por segundo (Gbit/s) y, en los últimos años, sus niveles de potencia han experimentado un aumento espectacular:

• PoE: En 2003, PoE (Tipo 1) proporcionó inicialmente 15.4 W por puerto para alimentar puntos de acceso inalámbricos. En 2018, PoE++ (Tipo 4) admitía 100 W por puerto, lo que permitía PoE en aplicaciones de alta potencia como cámaras industriales avanzadas.
• USB-PD: En 2014, se exigió que los cables USB Type-C fueran compatibles con USB-PD de 60 W para dispositivos como tabletas. En 2021, el estándar USB-C PD 3.1 permitió que USB Type-C ofreciera 240 W para cargar sistemas más grandes.

Con cargas de potencia tan grandes transmitidas a través de conectores tan finos, las sobretensiones se han convertido en un riesgo muy real para la seguridad y fiabilidad de los sistemas que utilizan PoE y USB-PD. Esto hace que la protección contra sobretensiones sea una parte vital del diseño del producto, especialmente a medida que estos productos se hacen más compactos.

Protección de dispositivos con limitaciones de espacio frente a transitorios de tensión de alimentación

En el caso de los dispositivos compactos que se cargan mediante USB-PD, los altos niveles de integración del diseño pueden aumentar el riesgo de sobretensiones. Por ejemplo, las distancias más cortas entre componentes facilitan que los picos de tensión o ESD provoquen arcos entre las trazas. Este arco puede dañar los componentes o provocar errores en los datos debido al aumento de las interferencias electromagnéticas (EMI).

El calor relacionado con las sobretensiones es más probable que provoque la rotura del aislante entre las patillas, lo que provoca la formación de arcos y cortocircuitos que dañan aún más los circuitos cercanos. Cuando se producen picos de potencia en las líneas de E/S o de datos, los componentes más sensibles de un dispositivo corren el riesgo de sufrir daños graves e inmediatos debido a EOS o ESD.

Los transitorios de tensión de alimentación también pueden comprometer la seguridad eléctrica y aumentar el riesgo de incendio debido a cortocircuitos de alta intensidad. Estos factores hacen que sea esencial detectar rápidamente las anomalías en la alimentación y desviar las altas tensiones y corrientes de los circuitos críticos de la aplicación antes de que se produzcan daños.

Para una protección eficaz en muchas aplicaciones, los componentes de supresión de transitorios deben ofrecer las siguientes características de rendimiento:

• Las tensiones de apriete deben ser muy próximas a la tensión de funcionamiento del circuito protegido para garantizar que se supriman incluso las sobretensiones o ESD más leves. La sujeción adecuada dependerá del estándar USB-PD o PoE utilizado.
• Una tensión de bloqueo constante, independientemente de la amplitud de la corriente de impulso o de la temperatura de funcionamiento, agiliza la protección en sistemas en los que las condiciones varían.
• Los componentes de protección contra sobretensiones e inmunidad ESD deben ser muy robustos para seguir funcionando incluso en las situaciones más duras, como la caída de un rayo.
• Se necesitan componentes compactos adecuados para instalaciones cada vez más limitadas por el espacio.

Un nuevo enfoque de la protección contra sobretensiones

Los SurgeSwitch TDS de Semtech están diseñados para cumplir o superar estos requisitos de aplicación. Esta familia de dispositivos compactos proporciona protección de una sola línea contra eventos EOS y ESD elevados para toda la gama de tensiones de funcionamiento USB-PD y PoE. Las especificaciones clave de la serie incluyen:

• Capacidad de corriente de impulso máxima de 40 A a 8/20 μs
• Inmunidad a sobretensiones de nivel 2 ±1 kV según IEC 61000-4-5
• Inmunidad ESD superior al nivel 4 (8 kV de contacto y 15 kV de descarga en el aire)

El mecanismo interno del SurgeSwitch TDS (Figura 1) difiere significativamente del de los dispositivos tradicionales de protección contra sobretensiones, como los diodos supresores de tensiones transitorias (TVS).

Figura 1: El mecanismo de derivación basado en FET de los dispositivos SurgeSwitch TDS ofrece una sujeción constante en condiciones de sobretensión impredecibles. (Fuente de la imagen: Semtech)

En lugar de confiar en una unión PN convencional para la desconexión, los TDS de Semtech utilizan un transistor de efecto de campo (FET) con protección contra sobretensiones para proteger los componentes sensibles frente a eventos EOS y ESD. Al estar combinado con un circuito de accionamiento, este FET se activa mediante un circuito de disparo ajustado con precisión para formar un interruptor controlado por tensión que actúa como mecanismo de ruptura. Cuando una tensión transitoria aumenta por encima de la tensión nominal de ruptura de un dispositivo, el circuito de disparo activa el FET de derivación, lo enciende y desvía la corriente transitoria a tierra.

Al utilizar un mecanismo de conmutación basado en FET con una resistencia de encendido ultrabaja, los dispositivos SurgeSwitch pueden lograr tensiones de sujeción constantes en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento y corrientes de impulso pico. Esto permite la integración de USB-PD y PoE en aplicaciones industriales más exigentes que requieren una protección predecible contra sobretensiones para soportar implementaciones en una amplia gama de condiciones de funcionamiento.

Selección de la solución TDS adecuada

La selección del dispositivo SurgeSwitch adecuado depende principalmente de la tensión de trabajo de la aplicación, ya que ésta determina la tensión de bloqueo necesaria para la protección del circuito. Para tensiones más altas, el TDS5801P.C (Figura 2) protege una línea de E/S o de alimentación que funciona a 58 V, que es la típica de PoE. Este dispositivo está disponible en un encapsulado de 1.6 mm × 1.6 mm × 0.55 mm para optimizar al máximo el espacio.

Figura 2: El TDS5801P.C proporciona una sólida protección contra sobretensiones para líneas que funcionan a 58 V. (Fuente de la imagen: Semtech)

El TDS5801P.C ofrece:

• Potencia nominal de impulsos de pico: 1,490 W a 8/20 μs
• Corriente de impulso máxima: 20 A a 8/20 μs
• Voltaje de sujeción de alimentación: 70.2 V (típ.)
• Tensión de bloqueo ESD: hasta 4.4 V
• Tensión nominal ESD:
  • Aire: ±20 kV
  • Contacto: ±15 kV

Con una potencia nominal de impulsos alta y un voltaje de sujeción ESD baja, el TDS5801P.C es adecuado para aplicaciones PoE en exteriores, como cámaras de vigilancia, contadores remotos y equipos de red, donde las condiciones meteorológicas adversas pueden aumentar la ESD. En estas aplicaciones, el rango de temperatura de funcionamiento ampliado de -55 °C a +125 °C también es esencial para mantener una protección constante, independientemente de las condiciones estacionales.

En cambio, el TDS0521PW.C (Figura 3) ofrece una solución para tensiones de trabajo de 5 V utilizadas en dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) y líneas VBUS para USB-PD de baja potencia. Para servir a dispositivos altamente integrados, el TDS está disponible en un encapsulado de 1.6 mm × 1.0 mm × 0.55 mm, con flancos mojables lateralmente para montaje plano.

Figura 3: Con un encapsulado compacto de dos terminales, el TDS0521PW.C permite la protección contra sobretensiones en diseños con limitaciones de espacio. (Fuente de la imagen: Semtech)

Las especificaciones clave del TDS3311P incluyen:

• Potencia nominal de impulsos de pico: 412 W a 8/20 μs
• Corriente de impulso máxima
  • 40 A a 8/20 μs
  • 8 A a 10/1000 μs
• Tensión de bloqueo de alimentación: 8.7 V (típico) para un impulso de 40 A
• Tensión nominal ESD: ±30 kV (aire y contacto)

Para equipos sensibles de bajo voltaje, este dispositivo proporciona una excelente protección contra sobretensiones de alto nivel, especialmente cuando se conecta a la fuente de alimentación primaria durante la carga.

Para una protección similar a tensiones de trabajo de 22 V, el TDS2261P.C (Figura 4) es un TDS adecuado para aplicaciones USB-PD de gama media, como las PC tablets industriales. El TDS2261P.C ofrece:

• Potencia nominal de impulsos de pico: 1120 W a 8/20 μs
• Corriente de impulso máxima
  • 40 A a 8/20 μs
  • 3 A a 10/1000 μs
• Tensión de bloqueo de alimentación: 27.7 V (típ.) para un impulso de 40 A
• Tensión nominal ESD:
  • Aire: ±30 kV
  • Contacto: ±20 kV

Figura 4: El TDS2261P.C ofrece una protección versátil para sistemas de 22 V en los que las corrientes de impulso de corta duración alcanzan los 40 A. (Fuente de la imagen: Semtech)

A pesar de ser el mayor de los dispositivos SurgeSwitch, con unas dimensiones de 2 mm × 2 mm × 0.75 mm, el TDS2261P.C sigue ofreciendo una solución compacta para una elevada protección EOS y ESD en dispositivos con limitaciones de espacio. Además de USB-PD, otras aplicaciones objetivo son los dispositivos de almacenamiento y los sensores industriales.

Conclusión

A medida que los estándares USB-PD y PoE siguen ampliando las prestaciones de suministro de energía, la protección sólida contra sobretensiones se convierte en un desafío en los diseños de dispositivos altamente integrados. La serie SurgeSwitch de Semtech supera los desafíos de diseño con tensiones de sujeción que permanecen constantes en una amplia gama de temperaturas y corrientes de impulso. También proporcionan una protección fiable frente a las anomalías eléctricas más graves en diferentes tensiones de línea y condiciones de funcionamiento.