Съвременни компоненти и решения за защита на електронни схеми - част 1

• Елементите за защита от електростатични разряди (Electrostatic Discharge - ESD) имат най-голям дял в схемите за защита
  
  
• Обикновено издръжливостта към ESD трябва да отговаря на изискванията на стандарта IEC61000-4-2, валиден относно контактен и безконтактен разряд
  
  
• Най-елементарната защита може да се осъществи чрез eдинични еднопосочни TVS диоди, наричани още ценерови диоди

Димитър Колев

Разделът от електрониката, известен с термина Circuit Protection, има за цел предпазването на компонентите и електронните системи от напрежения, токове и температури над максимално допустимите. Обикновено превишаването на тези параметри води до частична или пълна повреда. В статията се разглеждат някои основни стандарти, дискретни прибори и интегрални схеми (ИС) за осъществяване на такива защити, специфичното им действие, важните параметри, както и някои основни схеми на свързване и характерни приложения. Темата е изключително обширна, поради което тук не са обхванати всички видове защити.

Стандарти

Популярни са стандартите от серията с общо означение IEEE C62 за защита от импулсни напрежения, като връзка с разглежданата тематика имат:

• IEEE Std C62.64-1997 за спецификациите на компоненти за комуникационни линии, C62.43-1999 за приложенията и C62.36-2000 за тестването на компонентите;
  
  
• IEEE Std C62.38-1994 за оценка на устойчивостта към електростатични разряди (ESD);
  
  
• IEEE Std C62.33-1982 (R1 1994) за варисторни компоненти за защита от импулсни пренапрежения;
  
  
• IEEE Std C62.35-1987 (R1 1993) за тест на прибори с лавинен пробив;
  
  
• IEEE Std C62.37.1-2000 за приложения на тиристорни защити от импулсни пренапрежения.
  
  

Международната електротехническа комисия от своя страна има 3 стандарта за тестване:

• IEC 61000-4-2 на влиянието на ESD;
  
  
• IEC 61000-4-4 на пакети от къси импулси (Electrical Fast Transients);
  
  
• IEC 61000-4-5 на мощни импулси, породени от мълнии.
  
  

В Европа се използват стандартите за устойчивост на комуникационни съоръжения ITU-T K.20 (за офис сгради), ITU-Т К.21 (за жилищни сгради) и ITU-T К.45 (за комуникационни линии).

В автомобилостроенето за защита от ESD най-често се използва ISO10605, а за защита от други импулсни напрежения – ISO 7637-1 2002-3 и ISO 7637-2.

Защита от пренапрежения

Нека изброим няколко различни вида защитни прибори срещу пренапрежения (Overvoltage protection - OVP):

• единични TVS диоди (ценери);
  
  
• ТVS диодни матрици;
  
  
• тиристорни защити (Тhyristor Surge Protectors);
  
  
• варистори;
  
  
• защити за светодиоди (LED Protectors);
  
  
• газоразрядници (Gas Discharge Tubes, GDT);
  
  
• защити за светодиоди (LED Protectors) и др.

Защита от електростатични разряди

Елементите за защита от електростатични разряди (Electrostatic Discharge - ESD) имат най-голям дял в схемите за защита, тъй като върху човешкото тяло и дрехите ни при нормална дейност се натрупва статично електричество, което при разреждането си може да създаде кратък, но високоволтов напрежителен импулс. Разрядът може да се усети или дори да се види в тъмна стая, но в повечето случаи остава незабелязан – което не го прави по-малко проблемен за електронните елементи и прибори. При допир (Contact Discharge) по проводяща част от схема или устройство се осъществява разряд под формата на импулс с амплитуда обикновено до няколко kV. Без допир, но при достатъчно малко разстояние може да се осъществи безконтактен или наричан още въздушен разряд (Air Discharge), като амплитудата може да бъде 1 kV или повече. И двата случая могат да доведат до проблем – от моментно нарушаване на работа и рестартиране, до постоянна повреда и невъзможност за продължаване на работа на засегнатото устройство.

Сред примерите за възникване на ESD е докосването на бутони, ключове и конектори на устройства, поставянето и изваждането на куплунги и карти, докосването на печатни платки по време на монтаж, ремонт или работа. Опасността от ESD зависи от околната среда – запрашеност и влажност, тип на носените дрехи и обувки, скорост на движение на въздуха или триене между две повърхности, липса на подходящи материали, както и спазването на правила и обучение за работа с чувствителни на ESD устройства и материали.

Най-често издръжливостта към ESD трябва да отговаря на изискванията на стандарта IEC61000-4-2, валиден относно контактен и безконтактен разряд.

При него е в сила кривата на тока на разреждане от Фиг. 1, като продължителността на предния фронт е 0,7 – 1 ns. Импулсите, възникнали поради ESD, са аналогични на тези при преходни процеси и затова компонентите за защита от ESD се наричат TVS (Transient Voltage Suppressor) За защита се използват единични или многоканални, еднопосочни или двупосочни / еднополярни TVS диоди. Използват се за защита от ESD напрежения с фиксирана или произволна полярност, с връзка към маса или към маса и захранващо напрежение. Добре е също да обърнем внимание на различните видове тестови напрежения, токове и поредици при тестване с контактен и безконтактен разряд (Таблица 1).

Най-елементарната защита може да се осъществи чрез

Единични еднопосочни TVS диоди

Те се наричат и и ценерови диоди (Таблица 2) Използват се за защита от дължащи се на ESD напрежения с фиксирана полярност и един замасен извод. Волт-амперната характеристика обикновено е основата при избор на защитен прибор, като параметрите могат да се видят на Фиг.2.

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 номинално работно напрежение на предпазваната схема.

Основни параметри на TVS са максималното напрежение при контакт VESD, cont и без контакт 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).

Стойността на тока IPP може да се задава по два начина, като производителят избира за каталожната си информация 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 интерфейси между схеми и устройства (например Ethernet). По-малкият Ct е предпоставка за по-голяма скорост на обмен на данни и по-висока максимална честота на аналоговите 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.

Единични двупосочни TVS

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. На Фиг. 3 е представена разликата при работа между едно- и двупосочни защити.

За отстраняването на тези напрежения са необходими два еднакви ценерови диода, свързани последователно и в противоположни посоки. Такива са двупосочните единични TVS (One Channel Bidirectional Device) с типични представители в Таблица 3. 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.

Стойностите на двете VESD обикновено се дават с "±", а WV (Working Voltage) е често използваното максимално работно напрежение (постоянно или средноквадратична стойност) на предпазваната схема или устройство.

В Таблица 4 са включени матрици с двупосочни TVS, с основно приложение защита на комуникационни интерфейси (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 понякога повече ценерови диода или варистора.

Производителите предлагат и множество комбинации и корпуси за еднични еднопосочни, единични двупосочни, както и матрици от компоненти в корпус, които според свързването могат да се използват в различни режими. Сред приложенията на TVS са интерфейсите LVDS и 2,5G/5G/10G Ethernet и оборудване за WAN и LAN. Също така се поддържат интерфейси като USB3.0 – USB Type-C, HDMI1.4 – HDMI2.0, Thundertbolt, Display Port и MIPI/MDDI, HDMI1.4, HDMI2.0, HDMI2.1, USB3.1 GEN 2, Display Port, DVI и Serial ATA.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю