作者：Anindita Bhattacharya
保护24V直流（DC）系统，从而筑牢工业4.0根基
工业自动化正从固化孤立的系统，快速演进为互联互通的智能网络，这正是工业4.0的核心特征。现代工业早已不止于自动化，而是实现了高度互联，接入成千上万的传感器、控制器以及各类精密设备。数字技术的融合，尤其是工业物联网（IIoT）依托传感器产生的实时数据流，通过实现预测性维护并大幅减少设备突发故障，赋能了这场变革。在现代制造业中，精密传感器、复杂逻辑控制器和互联设备共同支撑生产运转；而在各类架构中都有一个不变的单元：都采用的是24V直流供电电源系统。
24V直流已成为工业控制系统电源的全球标准，因为它在安全性、可靠性与兼容性之间实现了完美平衡。该电压等级足够低，可最大限度降低操作人员的触电风险；同时，又高到为自动化系统中的传感器、执行器、控制器和通信模块提供充足电能。相较于低压逻辑信号，该电压等级的抗干扰能力更强，使其成为工业环境中常见的长距离线缆布线的理想选择。此外，24V直流电源及相关元器件拥有全球统一的标准，从而确保了来自不同厂商的设备之间的互操作性。因此，24V直流是现代制造自动化电源管理的基石，兼顾了操作安全与系统运行效率。
图1：工业设备供电线路示意图
毫秒之差造成百万损失：电气扰动的成本之殇
现代工业自动化依靠精密的24V直流供电传感器与控制器协同工作来完成各项生产流程。然而，这些精密电子器件必须和大功率三相交流设备共存，包括电机、泵、压缩机以及重型机械设备，所有设备共用同一套电气基础设施（如图1所示）。这些大功率负载的频繁通断会持续产生电气扰动，从而会在整个供电系统中引发浪涌与电气过应力（EOS）现象。
当今，高度互联的工厂部署了成千上万的传感器、执行器、控制器与智能设备，却面临一项关键的安全隐患。一次电气瞬态冲击就可能损坏传感器或造成控制器宕机，引发代价高昂的生产停工。制造产线的停机成本可高达每小时数十万美元。因此，部署可靠的电气过应力保护方案对于确保运行可靠性和维持生产效率至关重要。本文将介绍Semtech SurgeSwitch®系列TDS2621LP如何为24V直流电源线缆提供有效防护，以帮助其抵御这类持续存在的电气威胁。
为什么电气过应力（EOS）是不可忽视的隐患
电气过应力（Electrical Overstress, 简称EOS）是指一款器件承受的电气参数（电压、电流或功率）超出其绝对最大额定值。这种偏离规定安全工作区（SOA）的现象会引发器件内部结构发生永久性物理改变。EOS造成的后果通常体现为两大类主要失效模式，它们会对器件的使用寿命与可靠性带来严峻挑战。
第一类也是最直接的模式为灾难性失效，它的特征是器件突然发生彻底故障。该失效会引发诸如热失效带来的半导体结区烧毁，或是大电流造成键合线等内部互联结构发生机械损坏等现象。这类失效特征明显，在生产测试阶段通常易于排查。
第二类可以说更具隐蔽性，即潜在损伤。在该场景中，发生EOS事件后，受影响的器件通常在当时仍可继续工作。该器件不会骤然停下工作，仅会发生参数的微小偏移，比如漏电流小幅上升或半导体结性能受损。但器件仍可持续正常运行，直到应力不断累积，最终将器件推向失效临界点。当失效最终爆发时，往往看起来像是随机故障或是制造缺陷。只有借助高端显微镜对电路进行检测，或是送至失效分析实验室才能定位真实失效原因。否则，运维人员很难将故障追溯到数周甚至数月前发生的EOS冲击事件。
电气过应力的三种类型
根据应力来源，EOS包含多种瞬态和持续性电气事件，这些事件均超过元器件规定的工作极限。
·静电放电（ESD）：当高电位物体与低电位物体接触时，电子会在两个物体之间发生转移。电荷的这种骤然重新分布会在极短时间（约60纳秒）内产生大电流的快速泄放，进而引发灾难性的ESD事件。
·电气快速瞬变（EFT）：它的特征是一系列高速、高频脉冲，这些脉冲由工业环境中继电器、接触器或断路器等器件在接通后关断时产生。
·浪涌（Surge）：浪涌是短时、高能量的电压与电流的尖峰。持续时间从数微秒到数毫秒不等。和ESD、EFT事件不同，浪涌持续时间更长且能量更高，因而比其它EOS事件的危害性更强。浪涌可由直接雷击或通过电磁耦合产生的间接雷击效应引发。电源切换、配电系统负载变化，或是输电线路上变压器、大型电机启动，均会产生浪涌。
ESD与EFT属于快上升时间事件，上升时间在纳秒级别（通常小于1纳秒）。浪涌事件则是在慢上升时间由雷电感应产生的脉冲（如图2所示）。这类波形通常是微秒级事件，且能量远高于ESD或EFT，电压可达数千伏，电流可达数千安。浪涌同时具备高电压、大电流与较长持续时间，因此其对半导体结结构的应力大得多。浪涌能够损毁传感器、执行器、继电器、电源、电机和PCB铜箔走线。随着现代电子系统朝着小型化、高速化、互联化方向发展，电路对浪涌引发的电力过应力愈发敏感，因此亟需诸如Semtech SurgeSwitch这类先进的、响应迅速的先进浪涌保护方案，来保障系统级鲁棒性与长期可靠性。
图 2：电气过应力（EOS）事件类型
更智能的浪涌保护方案
如前文所述，工业自动化系统一直采用24V直流配电。然而，这些系统持续面临电压瞬态、静电放电与电力浪涌的威胁。传统的瞬态电压抑制二极管（TVS）多年来一直承担防护这些电气过应力的功能，但在大浪涌电流且高温的工况下，其很难实现低钳位电压，性能往往存在短板。Semtech的TDS2621LP是一款创新性的SurgeSwitch器件，其采用的耐浪涌场效应管（FET）架构（如图3）弥补了这一技术短板，即便在严苛的工业环境下，依然可以提供稳定的钳位电压与优异的瞬态处理能力。
图 3：TDS2621LP功能框图（左）和封装示意图（右）
TDS2621LP的最大工作电压为26.4V，最小击穿电压为31V。凭借该工作电压与击穿电压，TDS2621LP非常适用于24V直流工业系统，不仅能给正常电压波动预留充足余量，同时还能在瞬态事件发生时提供可靠防护。
Semtech TDS2621LP核心参数速览
·最大工作电压（VRWM）：26.4V
·击穿电压（VBR）：31V（最小值）
·峰值脉冲电流（IPP）：24A（tp=8/20μs）
·钳位电压（VCLAMP）：24A下为35V（最大值）
·动态电阻（RDYN）：32mΩ
强劲的防护能力
·浪涌合规等级：依据IEC 61000-4-5标准，±1kV
·静电（ESD）保护能力：依据IEC 61000-4-2标准，接触放电为±20kV/空气放电为±25kV
·峰值脉冲功率：840W
·工作温度范围：-40℃至125℃
超越传统TVS：SurgeSwitch的技术优势
关键时刻提供恒定的钳位电压
传统的TVS二极管属于PN结器件，总钳位电压由反向击穿电压、峰值脉冲电流和动态电阻共同决定。钳位电压会随峰值脉冲电流（Ipp）增大而升高，同时动态电阻也随之上升。而更高的动态电阻会使钳位电压相较于反向击穿电压出现明显抬升。如图4所示，在额定峰值脉冲电流范围内，SurgeSwitch可提供近乎恒定的钳位电压。传统TVS二极管的钳位电压会随峰值脉冲电流升高而上升，而SurgeSwitch的钳位电压在达到最大峰值脉冲电流前几乎保持恒定。SurgeSwitch内部MOSFET的导通电阻与峰值脉冲电流呈反向调控关系。因此，导通电阻与峰值脉冲电流的乘积，本质即为钳位电压，在整个电流区间内几乎保持恒定。
图 4：TDS2621LP的峰值脉冲电流与钳位电压关系曲线
更充足的裕量，更可靠的防护
钳位电压是浪涌发生时系统所承受的电压。因此，钳位电压越低，被保护系统因瞬态电气过应力事件发生故障的概率就越小。更低的钳位电压代表防护性能更优，可为系统内其他器件预留更大安全裕量。当钳位电压接近输入电路的绝对最大额定值时，该优势尤为关键，一旦超出该限值，即便TVS二极管具备电流泄放能力，系统依然会发生故障。
钳位电压越高，就需要选用可承受该更高电压等级的器件。因此，简单来说，更高的钳位电压会迫使设计师选用具有更高额定电压的元器件，或是采用并联保护方案来应对极限工况。上述两种方案均会增加成本，同时占用宝贵的PCB板面积。因此，理想的保护电路设计应优先选用钳位电压足够低的TVS二极管，在保障可靠防护能力的同时，规避器件规格选型冗余带来的额外成本代价。传统TVS二极管的钳位电压通常偏高，往往达到其工作电压的1.5至2倍，这限制了它们对工业系统中现代精密电子器件的防护效果。
图5：lpp=24A条件下的钳位电压波形
图5为TDS2621LP在lpp=24A（tp=1.2/50μs）条件下的钳位电压波形。SurgeSwitch的钳位电压相比传统TVS二极管低约30%。
高温工况下性能不衰减
传统PN结型TVS二极管存在温度依赖性，击穿电压与动态电阻均会随温度上升而增大，在热应力最高的工况下，钳位性能随之下降，进一步了放大前文所述的各类挑战。传统TVS二极管的功率耗散能力随温度呈急剧降额特性，如下图6所示，从25℃升温至125℃时，其峰值功率能力通常衰减50%~80%。而SurgeSwitch仅有 20%的衰减。
图6：传统TVS二极管与SurgeSwitch（TDS）脉冲降额对比曲线
图6展示了与TDS2621LP额定参数相近的传统TVS二极管数据手册中的典型脉冲降额曲线。举例来说，假设这款传统TVS二极管在室温（25℃）下的峰值脉冲电流承受能力与TDS2621LP相当皆为24A。在75℃时，其峰值脉冲电流承受能力下降至14.4A，到125℃时，降至4.8A。这就带来了一项关键设计隐患：即便保护电路在室温下通过IEC 61000-4-5标准验证，在工作温度升高后仍可能失效。由图6可见，TDS2621LP在125℃下的峰值脉冲电流约为19.2A。
图7：不同温度下，TDS2621LP的峰值脉冲电流与钳位电压对比曲线
图7展示了不同温度下TDS2621LP的峰值脉冲电流与钳位电压对比关系。我们可以清晰地看到，在全浪涌电流区间内，不同温度下的钳位电压均可保持近乎恒定。同时也可以看到，在125℃下的峰值脉冲电流约为20A。
守护生产的动力
随着工业4.0依托高互联与智能自动化持续变革制造业，敏感的24V直流控制系统面临的电气过应力风险成为了亟待解决的关键问题。产线停机损失可能高达每小时数十万美元，浪涌防护不足带来的风险极高，因而不容忽视。相比传统TVS二极管技术，Semtech的SurgeSwitch系列TDS2621LP实现了根本性革新。对设计工程师而言，TDS2621LP可提供极具竞争性的产品价值：优异的瞬态抑制能力可保护传感器、执行器与控制器，更低的器件应力裕量有助于降低系统级成本以及即便在最严苛地高温环境下，防护性能依旧稳定可靠，从而为设计带来充分的保障。
如需了解SurgeSwitch TDS2621LP更多详情，可访问：www.semtech.com/products/circuit-protection/surgeswitch/tds2621lp
如需为下一轮项目设计提供技术支持，请联系Semtech：https://www.semtech.com/company/contact/support?hsCtaTracking=0f44a534-6b2e-4a29-ba5f-6cda397f7a48%7Cba782da7-8d47-40f2-b12e-7e2fd185e672
