Новости при компонентите за защита на електронни схеми

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 4/2020 • 10.06.2020

Новости при компонентите за защита на електронни схеми

Стефан Куцаров

Статията е посветена на дискретните компоненти за защита, пуснати на пазара от началото на 2017 г. Информация за компонентите в част от защитите може да бъде намерена и в статията “Компоненти за ESD/EMI защита”, публикувана в бр. 2/2017 г. на списание Инженеринг ревю.

Защита от електростатични разряди

Тези разряди (Electrostatic Discharge) ESD имат най-голям дял в схемите за защита, тъй като върху човешкото тяло при нормална дейност се натрупва статично електричество, което при разреждането си може да създаде къс напрежителен импулс. При докосване (Contact Discharge) с пръст на метална точка от схема или устройство се получава разряд под формата на импулс с амплитуда обикновено до няколко kV. Без докосване, но с достатъчно приближаване (Air Discharge) амплитудата е до около 1 kV, но и в двата случая може да настъпи повреда или най-малкото промяна на някои от параметрите. Сред примерите за възникване на ESD е докосването на бутони и ключове на устройства, поставянето и изваждането на куплунги и карти, докосването на печатни платки по време на монтаж или ремонт на устройства. Опасността от ESD зависи и от околната среда, например тя е по-голяма при сух въздух, носене на дрехи от синтетична материя и когато човек е стъпил върху непроводяща повърхност.

Най-често издръжливостта към ESD трябва да отговаря на изискванията на стандарта IEC61000-4-2, валиден за разреждане със и без докосване. При него е в сила кривата на тока на разреждане на фиг. 1, като продължителността на предния фронт е 0,7-1ns. Импулсите, възникнали поради ESD, са аналогични на тези при преходни процеси и затова компонентите за защита от ESD се наричат Transient Voltage Suppressor (TVS).

 

Единични еднопосочни TVS (One Channel Uni-Directional Device). Ползват се за защита от дължащи се на ESD напрежения с фиксирана полярност и един замасен извод. Това се вижда от примера на фиг. 2а за предпазване от положително постоянно напрежение. В него Transient Peak (с означение в каталозите IPP) е амплитудата на импулса от ESD, IC Failure Threshold е максималното безопасно напрежение на предпазваната схема, TVS Clamping Voltage (VC) е напрежението при ток IPP и Normal Operating Voltage е работното напрежение на предпазваната схема. Същността на реализацията на защитата се вижда от фиг. 2б, като трябва да се има предвид, че еднопосочните TVS се ползват и в устройства с повече изводи и защита на всеки от тях.

Основните параметри на TVS са:

  • Максимално напрежение при докосване VESD, cont и без докосване VESD,air.
  • В масово разпространените серии TVS стойностите на VC са в широки граници. В някои каталози заедно с VC или вместо него се дава Reverse Stand-Off Voltage (VRWM), над което през TVS започва да протича ток и той функционира нормално.
  • Стойността на тока IPP може да се задава по два начина, като производителят избира за каталога един от тях или и двата. Разликата между тях е в продължителностите на фронтовете на тока през TVS. Предният фронт tr обикновено се дава между 0 и IPP или от 0,1IPP до 0,9IPP, докато tf на задния фронт е между IPP и 0,5IPP. Определянето на продължителностите се прави чрез апаратурата за измерване на IPP. Първият начин с означение 8/20 ms е при tr=8 ms и tf=20 ms, докато вторият е 10/1000 ms.
  • Капацитетът Ct е между изводите на TVS при напрежение VRWM. В сериите TVS капацитетът намалява с увеличаване на VRWM. Той е важен преди всичко при защита на свързващите проводници между схеми и устройства, вкл. мрежовите кабели. По-малкият Ct е предпоставка за по-голяма скорост на обмен на данни и по-висока максимална честота на аналогови сигнали.
  • Токът IR през запушения TVS е при определено напрежение под VC.

Трябва да се има предвид, че няма стандартни означения на параметрите и съответно дадените тук не се ползват от всички производители. Това налага внимателна работа с техническата документация преди избора на подходящ TVS.

В табл. 1 са събрани типични примери за единични еднопосочни TVS, като дадените стойности на двете VESD са за IEC61000-4-2. Капацитетът Ct на дадения на ред 2 позволява обменянето на данни със скорост 480 Mbps и на аналогови сигнали с максимална честота 240 MHz. В TVS на редове 3 и 5 с “хх” е означено напрежението VС.

 

Единични двупосочни TVS (One Channel Bidirectional Device). При свързване на схеми и устройства чрез линия от два проводника между тях могат да се получат ESD и да се създадат напрежения с произволна полярност. За отстраняването им са необходими два еднакви ценерови диода с характеристиката на фиг. 2а, свързани последователно и в противоположни посоки. Това са двупосочните TVS със символичното означение на фиг. 3а. Същността на свързването им е аналогична на представената на фиг. 2б при замяна на ценеровия диод с двупосочен TVS и по-рядко с варистор. В двупроводни мрежи с очаквана голяма амплитуда на напреженията от разрядите се налага между всеки от проводниците и маса да се постави двупосочен TVS, което се вижда от примера на фиг. 3б. Тези TVS са значително по-разпространени от еднопосочните поради голямото разнообразие на приложенията им. Освен практически за всички видове проводникови интерфейси, те се ползват за връзка на аналогови устройства с диференциални входове и изходи. Други характерни приложения са сензори, безжични връзки, индустриални устройства, медицински прибори.





Таблица 2 дава представа за разнообразието на модели на двупосочни TVS. Стойностите на двете VESD обикновено се дават с “±”, а VW (Working Voltage) е често използваното максимално работно напрежение (постоянно или средноквадратична стойност) на предпазваната схема или устройство. Характерно за TVS на ред 8 е, че преминаващите синусоидални сигнали с честота 3 GHz намаляват само с 0,3 dB.

TVS за линии (Bus Protector, TVS Diode Array). Осигуряването на защита от ESD се осъществява както при ползването на единични TVS с разликата, че в един корпус има 2, 4 и рядко повече ценерови диода или варистора. Пример е структурата на TVS от фиг. 4, която е на представения на ред 1 в табл. 3 прибор, чиито допълнителни диоди са предпазни. Тя се използва като еднопосочен за 4 линии (изводи 1-2, 3-4 и т. н.) или двупосочен за 2 линии (изводи 1-3 и 4-6 при свободен извод 2).

 







Производителите предлагат и серии с единични TVS и TVS за линии в един корпус (редове 2 и 8 в табл. 3). Сред приложенията на TVS на ред 3 са интерфейсите LVDS и 2,5G/5G/10G Ethernet и оборудване за WAN и LAN. Даденият на ред 6 е за интерфейсите USB3.0 - USB Type-C, HDMI1.4 - HDMI2.0, Thundertbolt, Display Port и MIPI/MDDI, докато този на ред 7 е за HDMI1.4, HDMI2.0, HDMI2.1, USB3.1 GEN 2, Display Port, DVI и Serial ATA.

 

Напрежителна защита

При типично напрежение Uo на даден възел тя трябва да се задейства при излизането му извън допустимите граници Uomin-Uomax и да го нулира. Най-често Uo е постоянното захранващо напрежение на електронна схема или блок, защитата при Uo<Uomin се означава като UVLO (от Undervoltage-Lockout) и обикновено се вгражда в ИС. За защита от Uo>Uomax (Over Voltage Protection) OVP се ползват главно специализирани ИС с външно свързани един или два MOS транзистора. Такива са MAX6495 на Maxim Integrated, LTC4368 на Analog Devices, VLAS060316A350 на AVX и PT7M3808G33 на Diodes.

Защита от отскоци на напрежението (Surge Arrester, Surge Absorber, Surge Suppressor, Transient Voltage Protection). На отскока като рязко и краткотрайно увеличаване на напрежението съответстват термините surge при негова продължителност над 3 ns и spike при по-малка. Основните причини за появата на отскок са промяната на състоянието на електрическата верига, например включване и изключване (Load Dump) на товара, късо съединение на изхода и влияние на електромагнитни полета. За оценка на защитата се ползва стандартът IEC 61000-4-5.

Най-масово използваният елемент за реализация на защитата са варисторите на основата на метални окиси (Metal Oxide Varistor) MOV, като те се свързват между двата възела, чието напрежение трябва да бъде ограничено. В нормален работен режим на предпазваната схема или устройство съпротивлението на MOV е много голямо и не влияе на функционирането. При отскок на напрежението и достигането му до VC на варистора съпротивлението рязко намалява и напрежението между възлите остава в рамките на допустимото. Волтамперната характеристика на варисторите определя реализирането на двупосочна защита. Към това се прибавят достатъчно големите работни напрежения (вж. колона 5 на табл. 4) и става възможно създаването на защити на захранвани от мрежата уреди. Това се прави чрез поставяне на варистор между фазата и нулата или между всеки от тези проводници и заземяването. Други характерни приложения на варисторите са в постояннотокови захранвания, инвертори, телекомуникационни линии и съоръжения (например защита от създадени от светкавици електромагнитни полета), дискретни полупроводникови прибори и ИС. Максималното напрежение върху варистора (Maximum Allowable Voltage) е постоянно VDC или синусоидално променливо VAC и той запазва голямото си съпротивление до Varistor Voltage (V1mA), при което токът през него е 1mA. Споменатото VC е Maximum Clamping Voltage, валидно при ток IP и при него варисторът вече е сменил съпротивлението си. Максималният ток по време на промяната, който варисторът може да издържи, е Withstanding Surge Current (IPP), измерван при преден и заден фронт 8/20 ms. Останалите основни параметри са капацитетът Ct на варистора и времето на реакция (Response Time) Tr от получаване на отскока до установяване на намаленото съпротивление.

В табл. 4 са дадени съвременни варистори, като нейната колона 4 демонстрира съществената особеност, че се произвеждат практически само серии варистори с различия в част от параметрите, а нерядко и с различни корпуси. За последния случай в таблицата са размерите на най-малкия.



Друг елемент за защита са тиристорите (Thyristor Surge Suppressor) TSS, но относителният им дял е малък. Особено активен в ползването им за защита на телекомуникационни съоръжения е производителят Littelfuse, предлагащ 29 серии с общо наименование SIDACtor Protection Thyristors. Защитата действа за отскоци с произволна полярност и много малък ток на утечка между двата защитавани възела. Сериите имат VDC между 6 и 420 V, а токът IРР е в границите 100-5000 А. Сред предимствата е малкият Ct и съответно възможността за защита на съоръжения с високоскоростен обмен на данни. Също за телекомуникационни съоръжения е серията TISP4xxxJ3BJ на Bourns за защита от отскоци с произволна полярност, която включва 14 модела с VDC между 58 и 320 V и IPP от 200 до 1000 А. Тиристорите от всички споменати серии се свързват непосредствено между двата защитавани възела.

Комбинирана защита от ESD и отскоци на напрежението (ESD and Surge Protection). Малките продължителности на импулсите при ESD и на отскоците на напреженията от същия порядък заедно с приблизително еднаквите максимални токове са принципна предпоставка за възможното използване на едни и същи прибори за едновременна реализация на двете защити. Тя се осъществява с ценерови диоди, които определят съществуването на еднопосочни и двупосочни защити. Приложенията на комбинираните защити съчетават различни части на тези за ESD и за отскоци, което налага при избора на подходящ ценеров диод внимателно да се оценят дадените в документацията му приложения.

За защита от отскоци и мълниезащита (според стандарта IEC61000-4-5) основно на интерфейсите DMX512, Fieldbus, Modbus, Profibus и RS-485 е SM712-02HTG на Littelfuse с 3 извода и размери 2,9x1,3x1 mm. Подобен е ESDL4151 на ON Semiconductor, но с предназначение за интерфейсите eSATA, MHL2.0 и USB и защита от ESD и отскоци. Корпусът му е с 2 извода и размери 1x0,6x0,23 mm. Също за защита от ESD и мълнии, но основно за интерфейса Gigabit Ethernet е RClamр2594N на Semtech. Корпусът на прибора е с 10 извода и размери 3x2x0,4 mm. Последният типичен пример е ESD204 на Texas Instruments, предназначен за защита на 4-проводни линии със скорост на обмен на данните до 6 Gbps и специално за интерфейсите Display Port 1.3, Ethernet 10/100/1000Mbps, HDMI2.0, PCI Express 3.0 и USB 3.0. Корпусът е с 10 извода и размери 2,5x1x0,55 mm.

 

Максималнотокова защита

Основният начин за реализация на тази защита (Overcurrent Protection) OCP е чрез свързване във веригата на тока на термистор с положителен температурен коефициент РТС. До неговия ток на задържане (Hold Current) IH съпротивлението на термистора Rmin е малко и реално не оказва влияние на работата на защитаваната схема. При достигане на праговия ток (Trip Current) IT съпротивлението рязко нараства, което представлява задействане на защитата и ограничаване на тока до безопасна стойност. В този режим термисторът може да работи до напрежение Vmax и ток Imax. Останалите основни параметри на тези термистори са максималната разсейвана мощност PD и времето Time-to-trip (tT) на задействане на защитата. Характерни приложения са в компютри, телекомуникационни устройства, индустриални системи, битова и автомобилна електроника и др. Типични примери за такива термистори са B599*5 Series от 10 модела на TDK Electronics, PTCCL-265V Series от 21 модела на Vishay Dale и Vishay BC Components и SMD0603 Series от 5 модела на Yageo.

Ползват се още три начина, единият от които също е с помощта на термистори с наименование полимерни самовъзстановяващи предпазители (Polymer PTC Resettable Fuse) Resettable PPTC, каквато е SMD Series от 10 модела на Littelfuse. Също за свързване във веригата на тока могат да се ползват ИС като FP0100 на Microchip Technology, позволяваща реализиране на OCP и SCP със задаван чрез външен резистор прагов ток между 10 mA и 260 mA. Последната възможност са създадените от Bourns прибори за защита на основата на MOSFET технология TBU-CA Series и TSC DL Series. Най-важното им предимство е осигуряването на ОСР в комуникационни линии със скорост на обмен на данните до 6 Gbps.



Top