具有Semtech的LoRa®設備的網關通常位於電氣惡劣的工業環境中。作為LoRaWAN®網絡的核心，這些網關需要在現場運行多年。網絡的壽命要求網關必須抵抗設備在其整個生命週期中可能遇到的一系列瞬態威脅。因此，需要保護網關數據端口免受過壓瞬變威脅的影響，包括靜電放電（ESD），電快速瞬變（EFT）和雷電浪湧。
典型的基於LoRa的網關上有多個數據接口端口。每個端口或系統的暴露情況都可能導致過電壓瞬變。將網關數據端口分類為基本類別是有幫助的：高速數據端口，串行服務端口，RF天線，電源/ DC總線端口，以及在某些網關設備上的用於加載軟件的存儲卡。
TVS二極管
TVS二極管具有快速的響應時間和出色的箝位電壓特性，是保護系統數據接口的行之有效的解決方案。這些保護元件旨在將瞬態電壓箝位，並使瞬態電流與CMOS收發器電路隔離開。先進的TVS二極管具有非常低的箝位電壓和高浪湧抗擾度，且電容損失最小。與其他瞬態抑制技術不同，TVS二極管的性能不會隨著時間的推移而降低，並保持一致的箝位性能。
對於網關產品，箝位性能在產品使用壽命內的穩定性至關重要，TVS二極管具有引人注目的優勢。TVS二極管也非常適合於防止ESD（快速上升時間瞬態事件）和電湧（大功率，緩慢的上升時間瞬態事件）。這很重要，因為許多網關都位於室外環境中，因此經常遭受雷擊引起的電湧。
高速端口保護
保護數據線涉及兩個基本挑戰。首先是保護系統，以使保護元件將瞬態能量箝位到足夠低的閾值，從而保護收發器IC。第二項任務是確保TVS不會不利地降低接口信號的完整性。對於高速端口（如以太網或USB），至關重要的是最小化保護電路所具有的電容。
關於跟踪路由，使用提供直通式佈局的TVS組件可以最好地保護高速端口。流通式封裝僅表示輸入和輸出引腳的排列方式，使得封裝允許差分對信號走線在封裝下清晰地佈線，而不會產生過多的走線彎曲或過孔。下圖顯示了使用流通TVS設備保護以太網和USB 2.0電路的示例。
串口保護
基於LoRa的網關還可以提供多個串行數據端口，其中最常用的是RS-232和RS-485。雖然乍一看，需要低電容可能看不到米為關鍵的，將RS-485鏈路可以有多個節點，因此它要考慮數據鏈路的總電容預算是非常重要的。通常，對於RS-232和RS-485，TVS元件需要承受更高的電壓（對於RS-232，通常為±15V；對於標準RS-485，則為+ 12 / -7V；對於擴展的共模範圍應用，則為+/- 36V）。 。下圖顯示了使用低電容TVS陣列保護擴展模式範圍RS-485鏈路的典型ESD和電湧保護方案。
射頻天線
此外，基於LoRa的網關可提供具有不同RF協議的多個天線：Wi-Fi，NFC，GPS，4G，當然還有LoRaWAN。由於TVS是一種非線性元件，會並且會產生有害的諧波，因此不僅應將電容最小化（通常小於1pF），而且電容與工作電壓的關係也應盡可能穩定（不變）。通常，最好使用雙向TVS二極管配置對天線進行最好的保護，並在正極或負極上進行對稱箝位。下圖顯示了使用Semtech RClamp2451ZA器件在LoRa RF鏈路上進行ESD保護的示例。
電源端口保護
系統電源線和DC總線也存在過壓瞬變進入PCB的漏洞。像任何孔或系統開口一樣，重要的是要盡可能快地將攻擊者的瞬變抑制在系統入口附近。作為電源總線，這些線路可以承受額外的電容，因此通常可以使用具有更高Cj額定值的TVS。對於Vbus / DC線路，首選單向TVS設備。下表顯示了在不同電源總線電壓下的適當TVS保護解決方案。
SD卡保護
為了對網關進行軟件更新，系統有時可能會使用存儲卡。儘管很少觸摸存儲卡插槽，但裸露的引腳使接口在用戶操作時極易受到ESD電荷轉移的損壞。下圖說明了SD卡保護解決方案的典型示例。
結論
作為匯總基於LoRa的設備收集的數據的主幹鏈路，基於LoRa的網關經常遭受瞬態電壓威脅。通過在設計前端進行仔細計劃，可以使用TVS保護二極管有效地保護網關。盤點所有關鍵系統數據端口以及考慮預期環境中潛在的瞬態威脅非常重要。在硬件設計的前端規劃過壓保護的前瞻性方法有助於確保在現場使用堅固的網關，並且可以在上市時間和優質產品方面獲得可喜的收益。