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LoRaWAN 网关需要强大的 ESD 和浪涌保护

LoRa, Circuit Protection, Wireless RF, Internet of Things

Tim Puls

Tim Puls

LoRaWAN 网关需要强大的 ESD 和浪涌保护

采用 Semtech LoRa® 器件的网关通常位于对电气设备要求很严苛的工业环境中。作为 LoRaWAN® 网络的核心,这些网关需要在现场工作多年。网络需要长期有效,网关也就必须能够在设备的整个生命周期中抵御其可能遇到的一系列瞬态威胁。因此,我们需要保护网关数据端口免受过电压瞬变威胁的影响,包括静电放电 (ESD)、电气快速瞬变 (EFT) 和雷电浪涌。

基于 LoRa 的网关通常有多个数据接口端口。每个端口或系统暴露都容易遭受过电压瞬变。不妨将网关数据端口按基本类别划分:高速数据端口、串行服务端口、射频天线、电源/直流总线端口,以及某些网关设备上用于加载软件的存储卡。LEARN MORE ABOUT ESD PROTECTION

TVS 二极管

TVS 二极管具有快速的响应时间和出色的钳位电压特性,是保护系统数据接口的行之有效的解决方案。这些保护元件旨在钳制瞬态电压,将瞬态电流与 CMOS 收发器电路隔离。先进的 TVS 二极管具有极低的钳位电压和高浪涌抗扰性,且电容损失最小。不同于其他瞬态抑制技术,TVS 二极管的性能不会随时间推移而降低,并保持一致的钳位性能。

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瞬态电压抑制二极管 (TVS) 工作特性 © Semtech 2020

对于网关产品,钳位性能在产品使用寿命内的稳定性至关重要,TVS 二极管就具有非凡的优势。TVS 二极管也非常适合防止 ESD(快速上升时间瞬态事件)和浪涌(大功率缓慢上升时间瞬态事件)。这一点很重要,因为许多网关都位于室外环境中,经常遭受雷击引起的浪涌。EXPLORE TVS BLOGS

高速端口保护

对数据线的保护涉及两个基本挑战。首先是保护系统,由保护元件将瞬态能量钳制到足够低的阈值,从而保护收发器 IC。其次是确保 TVS 不会降低接口信号的完整性。对于高速端口(如以太网或 USB),将保护装置对电路所产生的电容最小化至关重要。

对于走线布线,直通式布局的 TVS 组件可以最好地保护高速端口。直通式封装就是说输入和输出引脚的排列方式支持差分对信号迹线在封装下方简明路由,不会产生过多的迹线弯曲或过孔。下图是使用直通式 TVS 设备保护以太网和 USB 2.0 电路的示例。

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使用 Semtech RClamp® 3374N 保护千兆以太网的原理图 © Semtech 2020

 

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使用 Semtech RClamp0512TQ 保护 USB 2.0 的原理图 © Semtech 2020

串行端口保护

基于 LoRa 的网关还可以提供多个串行数据端口,其中最常用的是 RS-232 和 RS-485。虽然乍一看,对低电容的需求可能不重要,但 RS-485 链路可有多个节点,因此要务必考虑数据链路的总电容预算。通常对于 RS-232 和 RS-485,TVS 元件要承受更高的电压(RS-232 通常为 ±15V;标准 RS-485 为 +12/-7V;扩展共模范围应用为 +/-36V)。下图所示为使用低电容 TVS 阵列保护扩展模式范围 RS-485 链路的典型 ESD 和浪涌保护原理图。

 

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使用 TClamp®3602P 的扩展共模范围的 RS-485 保护原理图 © Semtech 2020

射频天线

此外,基于 LoRa 的网关可提供支持不同射频协议的多个天线:Wi-Fi、NFC、GPS、4G,当然还有 LoRaWAN。由于 TVS 是非线性元件,会产生有害的谐波,因此不仅应该使电容最小化(通常小于 1pF),而且电容与对应的工作电压也应尽可能保持稳定(不变)。通常最好使用双向 TVS 二极管配置来保护天线,在正极或负极对称钳制电压。下图所示为使用 Semtech RClamp2451ZA 器件在 LoRa 射频链路上进行 ESD 保护的示例。

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采用 RClamp2451ZA 的 LoRa 天线保护 © Semtech 2020

电源端口保护

系统电源线和直流总线也存在过压瞬变进入 PCB 的漏洞。与任何孔隙或系统开口一样,务必尽可能靠近系统入口阻止入侵瞬变。作为电源总线,这些线路可以承受额外的电容,因此通常可以使用具有更高 Cj 额定值的 TVS。对于 Vbus/直流线路,首选单向 TVS 器件。下表所示为不同电源总线电压下的适当 TVS 保护解决方案。

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直流线路/Vbus TVS 保护二极管 © Semtech 2020

 

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DC Line/VBUS TVS Protection with Semtech uClamp®xx71P Family © Semtech 2020

SD 卡保护

为了对网关进行软件更新,系统有时会使用存储卡。尽管存储卡插槽很少被触摸到,但由于裸露的引脚,接口极易在用户操作时受到 ESD 电荷转移的损坏。下图是 SD 卡保护解决方案的典型示例。

对 SD 卡连接的 ESD 保护 © Semtech 2020

结论

主干链路汇总基于 LoRa 的设备收集的数据,其中基于 LoRa 的网关经常遭受瞬态电压威胁。在设计前端仔细规划,就可以使用 TVS 保护二极管有效地保护网关。检查所有关键系统数据端口并考虑预期环境中潜在的瞬态威胁,这一点非常重要。在硬件前端的设计中提前规划过压保护,有助于开发出坚固耐用的网关,在上市时间和质量方面获得可喜的收益。

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