Защита на електронни схеми

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2011

Този дял на електрониката, популярен с английското си наименование Circuit Protection, има за цел предпазването на схемите и устройствата от напрежения над определена стойност, от протичането на недопустимо големи токове през някои техни части и от превишаване на работната температура. В статията се разглеждат дискретните прибори и все още сравнително малкото интегрални схеми (ИС) за осъществяване на защитите, тяхното действие, най-важни параметри, основни схеми на свързване и характерни приложения.

Стандарти
Институтът на инженерите по електротехника и електроника (IEEE) е създал стандарти с общо означение IEEE C62 за защита от импулсни напрежения, от които свързани със съдържанието на статията са следните:
- IEEE Std C62.64-1997 за спецификациите на прибори за нисковолтови комуникационни линии и такива за пренос на данни и сигнализация.
- IEEE Std C62.43-1999 за приложения на приборите от предния стандарт.
- IEEE Std C62.36-2000 за методите за тестване на приборите от първия стандарт.
- IEEE Std C62.38-1994 за методите за оценка на издръжливостта към електростатични разряди (Electrostatic Discharges, ESD).
- IEEE Std C62.33-1982 (R1 1994) за тестване на варисторни прибори за защита от импулсни напрежения.
- IEEE Std C62.35-1987 (R1 1993) за тестване на прибори с лавинен пробив за защита от импулсни напрежения.
- IEEE Std C62.37.1-2000 за приложенията на тиристори за защита от импулсни напрежения.

Международната електротехническа комисия има 3 стандарта за тестване: IEC 61000-4-2 на влиянието на ESD, IEC 61000-4-4 на пакети от къси импулси (т.нар. Electrical Fast Transients, EFT) и IEC 61000-4-5 на мощни единични импулси, например поради светкавици (Lighting).

Международният институт по телекомуникации е създал за Европа стандартите за издръжливост на комуникационни съоръжения ITU-T K.20 (в офис сгради), ITU-Т К.21 (в жилищни сгради) и ITU-T К.45 (за телефонни линии).

В автомобилната индустрия за предпазване от ESD най-често се използва ISO 10605, а за защита от други импулсни напрежения – ISO 7637-1 2002-3 и ISO 7637-2 2nd  DIS2002-07.

Защита от напрежения
В зависимост от вида на напрежението съществуват три категории защити, които се реализират по различен начин.

Защита от импулсни електромагнитни смущения. Рязката промяна на интензитета на електромагнитни полета от естествен (поради мълнии) и изкуствен произход индуцира в електронните апаратури импулсни напрежения (Electromagnetic Interference) EMI, чиято амплитуда може да достигне няколко kV. За тяхното ограничаване до безопасни стойности се използват три типа прибори.

Първият от тях са варисторите (Varistor), изградени на основата на метални окиси с типична волтамперна характеристика на фиг. 1а, и осигуряващи двустранно ограничаване на напрежението (Clamp Device). Най-често представляват керамична пластинка, съдържаща зрънца ZnO с метални електроди от двете й страни, но има и многослойни структури. Двете използвани символични означения са на фиг. 1б и в. Постоянното работно напрежение (Maximal Continuous Voltage, Working Voltage DC) UW е между 3 и 700 V, а при максималното напрежение (Break–down Voltage) UBR има ток на утечка IBR, който все още може да се пренебрегне. Ограничаващото напрежение (Clamping Voltage) Ucl е най-голямото, което може да се получи върху варистора и през него може да премине единичен импулс на тока (Maximal Peak Current) Iclmax, обикновено в сила за стандартната форма 8/20 ms. Дава се и максималната безопасна енергия (Maximal Energy) EM в импулса.

Примери за варистори са дадени в табл. 1, като всеки от тях е част от серия с различни стойности на напреженията. Съществуват набори (Array) от няколко еднакви варистора в един корпус – например този в ред 2 на табл. 1 съдържа 4 варистора. За приложенията е важно, че варисторите имат паразитен капацитет (също даван като параметър), който създава нежелана променливотокова връзка между предпазваните възли. Поради това, в повечето каталози има графика на честотната зависимост на импеданса на варистора. Именно той често определя предназначението на варистора, например за CAN мрежи.

Вторият вид са диодните ограничители (Transient Voltage Suppressor) TVS, използващи специализирани стабилитрони, които издържат големи импулсни токове в режим на пробив. Съществуват еднопосочни (Unidirectional) TVS (характеристика от I квадрант на фиг. 1а) и двупосочни (Bidirectional) TVS (цялата характеристика на фиг. 1а), които представляват последователно противопосочно съединение на два стабилитрона. Свързват се между защитаван възел и маса, като за защита на повече възли се използват набори (Multiline TVS). За защита на два незамасени възела между тях се свързва диоден мост с еднопосочен TVS в единия диагонал, който действа като двупосочен TVS. На фиг. 2 е показано символичното означение на такъв TVS (параметри в ред 4 на табл. 2) в едно от свързванията му. Постоянното работно напрежение (Reverse Stand Voltage) UR на TVS е между 3,3 V и 600 V, а напрежението UBR е с 20-30% по-голямо, като токът при него обикновено се означава с IT (Test Current). Токът при ограничаващото напрежение обикновено е IPP, но за много TVS вместо него се дава максималната мощност в импулса (Peak Pulse Power Dissipation) PPM. Трябва да се има предвид, че IPP намалява при време на затихване на импулса (Pulse Decay Time) над определена стойност, което понякога се дава с графика. Токът намалява и с увеличаване на околната температура – стойността му в техническата документация обикновено е в сила до 25 °С. Времето на отпушване (Turn-on Time, Response Time) ton, т. е. на задействане на защитата, не винаги се дава в каталозите.

Примери за самостоятелни TVS и по един представител от различни серии са дадени в табл. 2. С параметрите на дадения в ред 1 е и еднопосочният Р4КЕ16, на този в ред 3 - двупосочният Р6КЕ220СА и двупосочният 5КР24С – на дадения в ред 5.
Типичните приложения на TVS са за защита на входно-изходните шини на комуникационни, компютърни (например за връзки с мрежи Ethernet, ADSL, VDSL) и битови апаратури.

Разновидност на диодните ограничители са работещите като тиристори. Те са запушени до праговото напрежение (Breakdown Voltage) UBO и при надхвърлянето му се отпушват като напрежението им рязко намалява до Uo, с което предпазваните възли реално се дават накъсо. За да бъдат запушени отново, трябва токът между тях да намалее под определена стойност, което в някои случаи е недостатък – запушване няма, ако след прекратяване на импулса схемата осигурява по-голям ток. Основните им приложения са за защита на телефонни и комуникационни линии от импулсни пренапрежения (възникнали вследствие мълнии, допир до захранващата променливотоковата мрежа и индуцирани). Еднопосочните (Unidirectional Thyristor Overvoltage Protector) са за отрицателни UBO, имат IPP до няколко стотици А и символично означение на фиг. 1г. Типичен примeр е TISP5110H3BJ на Bourns с UBO = -110 V и IPP = 300 A. Двупосочните тиристори (Bidirectional Thyristor Overvoltage Protector) са по-разпространени, а характерен пример е FVC3100 с напрежение и ток съответно 350 V и 4 А.

За защита на мощни захранвания и управления на електродвигатели се използват тиристорни ограничители с още по-големи UBO и допустима PPPM. От този тип е серията 5SSВ на АВВ, която включва 26 прибора с UBO между 500 V и 3 kV. С единичен импулс 10 us те издържат мощност 350 kW при UBO до 1,6 kV и 700 kW при по-голямо прагово напрежение.

По принцип, максимално ефективната защита не само ограничава напрежението, но и прекъсва подаването му към предпазваната схема. За реализирането й се използват специализирани ИС. Характерен пример е серията МАХ6495-6499 на MAXIM, чието типично свързване е показано на фиг. 3. В нормален работен режим транзисторът е отпушен и VOUT = VIN. При VIN (импулс или бавно изменящо се напрежение) над определена стойност част от него се подава на вход 0VSET и ИС запушва транзистора.
Защити от пренапрежения вследствие ESD. Типичният капацитет на човешкото тяло е 150 pF и върху него може да се натрупа количество електричество няколко uC, което определя напрежение над 10 kV. Подобни електростатични разряди могат да се появят при свързване на устройства чрез кабел поради неговия заряд (Cable Discharge Event, CDE) и този на вече свързаното към него устройство. За разлика от EMI, тук разрядните токове и мощността в импулса са много по-малки и максималните им стойности рядко се дават като параметър на приборите за защита. Изключение са тези за защита и от мълнии (Lighting Protection), например дадените в редове 8 и 9 на табл. 3, а времето на разряд е от порядъка на 1 ns. Най-важно е максималното напрежение (ESD Withstand) UESD с две стойности – при непосредствено докосване от човек на възел или проводник (Contact UESD) UESD,C и при доближаване (Air UESD) UESD,A, когато прескача електрическа искра. Специфичен параметър е токът на утечка (Leakage Current) IL при напрежение UR. Класическите прибори са варистори и стабилитрони. Най-често се използват за защита на CMOS ИС и дискретни прибори, включително оптични (например лазерни диоди). Характерни приложения са защита на входовете и изходите на интерфейси и на устройства с батерийно захранване.

Поради своето естество, варисторите имат сравнително голям С (например дадените в редове 5 и 10 на табл. 3), но има и такива с малък С (редове 2, 3, 6 и 8). Малките размери на последните позволяват защита на бързи интерфейси (например Ethernet1000, USB3.0 и HDMI1.4), памети и SIM карти. Често производителите формират параметрите за максимално добро удовлетворяване на изискванията на определен вид приложения. Например тези в редове 1 и 10 на табл. 3 са за USB връзки, а варисторът в ред 2 – за приемни антени с честоти до 5,8 GHz. Останалите прибори в табл. 3 са със стабилитрони и диоди. Този в ред 3 е за едновременна защита на две линии (структурата и свързването са на фиг. 4), като съдържа и филтър за EMI, докато този в ред 11 е за куплунги на  клавиатури, бутони, микрофони и високоговорители. Приборът от ред 12 при честота 3,4 GHz внася нежелано затихване от 0,1 dB.

Значението на мерките за защита от ESD е причина за създаване и на нови прибори. Пример са Cera Diodes на Epcos, представляващи керамични полупроводници, по-евтини от TVS диодите, като някои модели могат да работят в бързи цифрови устройства. Волтамперната им характеристика е аналогична на дадената на фиг. 1а, а параметрите на такъв прибор са в ред 6 на табл. 3.

Схема за допълнително намаляване на влиянието на паразитните капацитети на приборите е показана на фиг. 5. Тя се препоръчва за USB, което се вижда от означенията на четирите проводника, но може да има и други приложения. Стабилитронът не позволява появата на отрицателно напрежение на VСС спрямо GND, а при номиналното захранващо напрежение с правилна полярност е запушен. При импулс, създаващ голямо положително напрежение на D+ спрямо D- се отпушват D1, стабилитронът и D4 и го ограничават, докато импулс с обратна полярност отпушва D3, стабилитрона и D2.

Максималнотокова защита
Този втори и не по-малко използван тип защита не позволява на тока в предпазваната електрическа верига да надхвърли определена безопасна стойност. Предпазителите за еднократна употреба тук не се разглеждат, въпреки че съществуват съвременни техни миниатюрни разновидности, например серията 100016 на SIBA и тънкослойната серия F0402 Accu-Guard на АVХ.

В зависимост от принципа на действие, съществуват три основни вида прибори за максималнотокова защита (Overcurrent Protection).

Термистори. Действието им се основава на рязко увеличаване на тяхното съпротивление след определена температура, т. е. те са с положителен температурен коефициент (Positive Temperature Coefficient). И тъй като температурата им се дължи и на протичащия през тях ток, могат да се използват за максималнотокова защита. Класическите разновидности използват подходяща керамика, носят наименованията позистор (Posistor) и PTC термистор (РТС Thermistor) и имат символичното означение от фиг. 6а. Типичните зависимости на съпротивлението от температурата са показани на фиг. 6б, като по ординатата е относителното му изменение.

Сред основните им параметри са съпротивлението R25 при 25 °С, което остава практически неизменно до тока на удържане (Hold Current) IH и максимално допустимото постоянно напрежение (Maximal Voltage) Umax. Съпротивлението се удвоява при точката на Кюри, където достига стойността си на включване (Trip Current) IT, след което съпротивлението бързо нараства с температурата. Максималният ток през термистора е Imax, а времето на задействане на защитата (Time to Turn) ttr е от момента на получаване на импулс на тока до достигане на IT, където ограничението започва да действа. Стойността му нараства с увеличаване на тока през термистора и в техническата документация обикновено се дават съответните графики. Приложенията са за всякакви битови апаратури, офис оборудване, комуникационни устройства и постояннотокови захранвания. В табл. 4 са дадени основните параметри на РТС термистори, като всеки от тях е част от серия.

Съвременна разновидност са РТС термисторите на основата на полимери (Polymeric PTC) РРТС. В незадействано състояние съпротивлението им е малко поради наличието на въглеродни нишки в поликристалната им структура, които се разкъсват над определена температура (РРТС се задейства) и съпротивлението рязко нараства. Това се вижда от зависимостта на R от температурата, показана на фиг. 7, която има две разлики от тази на РТС термисторите: температурният коефициент е само положителен и след определена температура (точка 4 на характеристиката) съпротивлението отново започва бавно да нараства. Основните приложения на РРТС са в битовата електроника, компютърните и комуникационните устройства, но бързо нарастват приложенията в автомобилите и за защита на акумулатори.

Основен производител на РРТС е TE Connectivity, която има 36 серии прибори с работно напрежение между 6 и 250 V и IH от 50 mA до 15 А. Примери са дадени в редове 3-5 на табл. 5, които са съответно за приложения в битовата електроника, компютърни и комуникационни системи. Специфичен тип са метал-хибридните прибори (Metal Hybrid PPTC) MHP, които съчетават в един корпус РРТС и биметален контакт и са предназначени специално за защита на Li-Ion акумулатори с големи разрядни токове (за електроинструменти, непрекъсваеми захранвания, електрически транспортни средства), но могат да се използват и за защита на електродвигатели. В нормален работен режим (фиг. 8а) контактът е затворен и токът протича практически изцяло през много малкото му съпротивление. С увеличаване на тока напрежението върху контакта нараства и все по-голяма част от тока започва да преминава през РРТС (фиг. 8б), докато се стигне до отваряне на контакта и задействане на РРТС (фиг. 8в), т. е. на максималнотоковата защита. Пример за такъв прибор е даденият в ред 6 на табл. 5, а показаният в ред 2 също е предназначен основно за акумулатори и електродвигатели.
Твърде често максималнотоковата защита с термистори се комбинира със защита от напрежения, поради което съществуват прибори, обединяващи двете с един корпус. Пример са приборите PolyZen Devices (общо 14) на TE Connectivity със структура, показана на фиг. 9. Максималното входно напрежение е 16 V, 24 V и 48 V, токът IH е между 0,75 А и 2,3 А, напрежението на стабилитрона е между 5,6 V и 16,4 V и максималният му ток е от 1,25 А до 10 А. Основните приложения са в преносими устройства на битовата електроника, GPS системи и за защита на входовете на постояннотокови захранвания. Размерите на приборите са 4,15x4,15x1,25 mm. Подобни са 2Pro Devices на същия производител, но вместо стабилитрон съдържат варистор с Uw 260 V или 430 V, което ги прави подходящи за апаратури с мрежово захранване.
MOS прибори. Производителят им Bourns използва наименованието Transient Blocking Unit (TBU) за 5-те си серии на единични и двойни еднопосочни (символично означение на фиг. 10а) и двупосочни (фиг. 10б) прибори. В нормално работно състояние съпротивлението им е между няколко ома и няколко десетки ома, а при достигане на тока на задействане Itrigger (между 75 mA и 750 mA) те реално прекъсват веригата (токът става няколко десети от mA), като необходимото време за това е до 1 us. В това състояние приборите издържат импулсно напрежение между 250 V и 850 V за не повече от 10 ms. За възстановяване на проводящото състояние трябва напрежението върху прибора да намалее под Vreset с типична стойност 16 V. Пример за схема на свързване на еднопосочен прибор е дадена на фиг. 10 в. Напрежителната защита ОVР се поставя при опасност от напрежения над допустимото за TBU, а D1 не позволява подаването на постоянни отрицателни напрежения. Пробивното напрежение на D2 трябва да е по-голямо от работното напрежение на предпазваното устройство.

Интегрални схеми. При захранване на електронни прибори от външни източници на постоянно напрежение е възможно поради повреда или късо съединение доставяният ток да надхвърли определена стойност. Принципът на защита чрез използване на ИС е изяснен на фиг. 11. При ток IOUT над допустимия, получаваното върху R напрежение задейства компаратора Comp и той прекъсва веригата чрез транзистора Т или го ограничава чрез преминаване в режим на неизменен ток. Времето на задействане обикновено е между няколко ms и няколко десетки ms за избягване на включване на защитата от импулсни смущения. Типичен пример е МАХ1557 на MAXIM, предназначена за защита на два USB входа, като максималният ток на всеки от тях може да се програмира чрез външен резистор до 1,2 A. Подобна е МАХ5943, но тя е за входовете на интерфейса IEEE 1394. Компанията Supertex произвежда FP0100 за напрежения UIN до 100 V и ток IOUT до 260 mA, чиято максимална стойност се задава чрез външен резистор R. При надхвърляне на максималния ток, ИС преминава в режим на неизменен ток със стойност 0,3 mA. Подобна е и NCP380 на ON Semiconductor, но UIN е между 2,5 V и 5,5 V, а IOUT се задава от 0,1 А до 2,1 А. Последният пример е bq76PL536 на Texas Instruments, предназначена за предпазване на Li-Ion акумулатори с 3-6 клетки от напрежение извън безопасните граници и от превишаване на температурата. Освен в UPS, тя може да се използва и за големи акумулаторни батерии, електрически и хибридни автомобили.

Температурна защита
Тази защита (Overheat Protection, Overheat Sensing) се използва за предотвратяване на прегряване и евентуална повреда на възли и блокове на електронни апаратури, както и на мощни полупроводникови прибори и ИС, например вградени в хибридни схеми. Измерването на температурата се прави с РТС термистори, като в първия случай обикновено се предпочитат такива с изводи и възможност за закрепване с болт, а във втория – за повърхнинен монтаж.

Основните параметри на термисторите са Umax, съпротивлението R25 и температурата на задействане (Sensing Temperature) TS, при която съпротивлението достига стойност RTS, поне 10 пъти по-голяма от R25 и термисторът е задействан. Понякога в каталозите се дават две температури, за да може за дадено приложение да се избере по-подходящата. Термисторите практически винаги се предлагат като серии, отделните модели в които се различават по стойността на TS. Обикновено тя е през 10 °С в границите от 60-70 °С до 140-150 °С. За правилното използване на термисторите е важна максималната им разсейвана мощност, при която собственото нагряване практически не оказва влияние – тя е няколко mW. Примери за РТС термистори за температурна защита са дадени в табл. 6.

Специфично съвременно приложение с бързо нарастващо значение е температурната защита на мощни светодиоди за осветление. Чрез свързване към техния драйвер на подходяща комбинация от резистори и РТС термистор светодиодите се предпазват от прегряване, с което се удължава експлоатационният им срок. Трябва да се има предвид, че нараства броят на драйверите за светодиоди с няколко вградени защити. Така например светодиодният драйвер ZLED7030 на компанията ZMDI е с температурна защита, както и защити срещу късо съединение и прекъсване на веригата на LED.

Top