Съвременни компоненти и решения за защита на електронни схеми – част 2

• Съществуват варистори, които са оптимизирани за импулсен режим на работа – много кратки, но и много високи претоварвания по напрежение и ток
  
  
• Интересна разновидност на тиристорните защити са така наречените LED защити
  
  
• NTC резисторите са по-известни с употребата си като температурни сензори, но те играят важна роля и като защита в електрически вериги

Димитър Колев

В първата част на статията, публикувана в бр. 3/2023 на сп. Инженеринг ревю, представихме популярните стандарти за защита и тестване и разгледахме TVS диодите като типични представители на елементите за ESD защита. Тук продължаваме с

Варисторите

Най-масово използваният елемент за реализация на защитата са варисторите на основата на метални оксиди MOV (Metal Oxide Varistor), както и разновидността им за ESD защита MLV (Multilayer Varistor). Те обикновено се свързват паралелно на входа на захранването или 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 нормалното функциониране на устройството. При достатъчно висок напреженов импулс обаче се достига границата VC (Maximum Clamping Voltage) – напрежението, при което съпротивлението на варистора рязко намалява, той става проводим, протича ток и по този начин се абсорбира енергията на импулса. Вследствие на това (разгледано във времето), напрежението между двата възела остава в рамките на максимално допустимото по спецификация, което осигурява нормална непрекъсната работа, както и надеждна защита.

Волтамперната характеристика на варисторите определя реализирането на двупосочна защита. Съществуват варистори, които са оптимизирани за импулсен режим на работа – много кратки, но и много високи претоварвания по напрежение и ток. Това прави възможна защитата както на уреди с ниско напрежение и консумация, така и на модули с високи напрежения – захранвани от мрежата или от високоволтови батерии.

При надвишаване на максималните напрежение / ток / температура на варисторите, те обикновено се повреждат в режим на почти пълно късо съединение, което от своя страна спомага за сработването на еднократни или автоматични предпазители преди тях. Това пък води до осигуряване на допълнително ниво на защита на целия електрически или електронен модул или възел. Характерни приложения на варисторите са защита на постояннотокови захранвания, инвертори, телекомуникационни линии и съоръжения, дискретни полупроводникови прибори и интегрални схеми (ИС).

Максималното напрежение върху варистора V_AC (Maximum Allowable Voltage) е постоянно напрежение VDC или синусоидално променливо напрежение V_AC, като варисторът запазва голямото си съпротивление до V_1mA (Varistor Voltage@1mA), при което токът през него е
1 mA. Споменатото гранично напрежение V_C е 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 I_PP (Withstanding Surge Current), измерван при преден и заден фронт 8 / 2 msec. Останалите основни параметри са капацитетът C_t на варистора и времето на реакция T_r (Response Time) от възникване на импулса до установяване на вече намаленото съпротивление.

Друг елемент за защита са тиристорите TSS (Thyristor Surge Suppressor). Особено активен в приложенията им за защита на телекомуникационни съоръжения е производителят Littelfuse, предлагащ множество серии с общо наименование SIDACtor Protection Thyristors. Защитата действа за импулси с произволна полярност и много малък ток на утечка между двата защитавани възела. Сериите имат V_C между 6 и 420 V, а токът I_РР е в границите 100 – 5000 А. Сред предимствата е малкият C_t и съответно възможността за защита на съоръжения и интерфейси с високоскоростен обмен на данни. Също към телекомуникационни съоръжения е ориентирана серията TISP4xxxJ3BJ на Bourns за защита от отскоци с произволна полярност, която включва 14 модела с V_DC между 58 и 320 V и I_PP от 200 до 1000 А.
Като интересни и нови продукти при варисторите могат да се отбележат HF серията на Panasonic; MLVHV, варистор / газоразрядник MOV / GDT (Gas Discharge Tube) и температурно защитените варистори МОVTP на Eaton Bussman (Фиг. 1), сериите S14, S10, S07 SiOV MOV на Epcos, Xtreme Varistor на Littelfuse, VLAS060316A350 на AVX, както и isoMOV/GMOV/МОV/GDT на Bourns (Фиг. 2)

Интересна разновидност на тиристорните защити са така наречените LED защити (Фиг. 3). Те предпазват в три основни аспекта:

• при прекъсване на светодиода (например механична повреда), напрежението върху и отпушването на защитния елемент гарантира нормалната работа на останалите;
  
  
• предпазват и от ESD разряди с нива ±8 kV за контактен разряд и ±15 kV за безконтактен такъв;
  
  
• случайна размяна на захранващите полюси също няма да доведе до повреда.

Сред производителите на такива компоненти са Littelfuse, Bourns, OnSemi, STMicroelectronics, а на модули - Hitachi Lighting и Meanwell.

Комбинирана защита от ESD и преходни процеси

Малките продължителности на импулсите при ESD и на преходни процеси на напреженията от същия порядък, заедно с приблизително еднаквите максимални токове, са принципна предпоставка за възможното използване на един и същ прибор за едновременна реализация на двете защити (ESD & Surge Protection). 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 импулси, което налага при избора на подходящ ценеров диод внимателно да се оценят дадените в документацията му приложения.

Такива прибори се използват за защита от импулси и мълниезащита (според стандарта IEC61000-4-5) основно на интерфейсите DMX512, Fieldbus, Modbus, Profibus и RS-485. Типични представители са SM712-02HTG на Littelfuse с 3 извода и размери 2,9x1,3x1 mm. Подобен е ESDL4151 на ON Semiconductor, но ориентиран към приложения за защита на интерфейсите eSATA, MHL2.0 и USB. Корпусът на ESDL4151 е с 2 извода и размери 1х0,6х0,23 mm. Подобна защита, но основно предназначена за Ethernet интерфейс, е RClamр2594N на Semtech. Корпусът на прибора е с 10 извода и размери 3х2х0,4 mm. Друг пример е ESD204 на Texas Instruments, предназначен за защита на 4-проводни линии със скорост на обмен на данните до 6 Gbps – специално за интерфейсите Display Port, Ethernet, HDMI2.0, PCI Express 3.0 и USB 3.0. Корпусът му е с 10 извода и размери 2,5x1x0,55 mm.

Максималнотокова защита, PTC и NTC

Основният начин за реализация на тези защити – OCP (Overcurrent Protection) и SCP (Short Circuit Protection) е чрез последователно свързване в токовата верига на термистор с положителен температурен коефициент РТС (Positive Temperature Coefficient). До неговия ток на задържане I_H (Hold Current) съпротивлението на термистора R_min е малко и реално не оказва влияние на работата на защитаваната схема. При достигане на праговия ток I_T (Trip Current) съпротивлението рязко нараства, което представлява задействане на защитата и ограничаване на тока до безопасна стойност. В този режим термисторът може да работи до напрежение V_max и ток I_max. Останалите основни параметри на тези термистори са максималната разсейвана мощност P_D и времето t_T (Time to trip) за задействане на защитата.

Характерните приложения са в компютри, телекомуникационни устройства, индустриални системи, битова и автомобилна електроника и др. Типични примери за такива термистори са B599x5 Series от 10 модела на TDK / Epcos, PTCCL-265V Series от 21 модела на Vishay и SMD0603 Series от 5 модела на Yageo. Съществуват и други подобни прибори в дискретно или интегрално изпълнение. Термисторите с наименование полимерни самовъзстановяващи се предпазители PPTC (Polymer PTC Resettable Fuse) често се използват вместо или в комбинация с еднократен предпазител.
NTC (Negative Temperature Coefficient) резисторите са по-известни с употребата си като температурни сензори, но те играят важна роля и като защита в електрически вериги, където ограничават стартовия ток (Inrush current) вместо постоянни резистори, които биха имали твърде големи топлинни загуби. В този случай ситуацията е обратната на PTC – в първия момент съпротивлението е голямо и ограничава входния ток, но след кратко време NTC се загрява и намалява съпротивлението до номиналното във веригата.

Защитни интегрални схеми

При типично напрежение U_o на даден възел напрежителната защита трябва да се задейства при излизането му извън допустимите граници U_omin - U_omax и съответно да го нулира. Най-често U_o е постоянното захранващо напрежение на електронна схема или блок, а защитата при U_o<U_omin се означава като UVLO (Under Voltage Lockout). UVLO обикновено се вгражда в захранващи, микропроцесорни и други ИС, което ги предпазва от функционални проблеми при захранващо напрежение по-ниско от номиналното. Типичен пример за това е Reset интегралната схема PT7M3808G33 на Diodes (Фиг. 4).

За защита от U_o>U_omax (Over Voltage Protection) OVP се ползват главно специализирани ИС с външно свързани един или два MOS транзистора. Такива са MAX6495, LTC4368 на Analog Devices / Maxim / Linear (Фиг. 5)

Защитата от отскоци на напрежението е позната още като Transient Voltage Protection, Surge Suppressing. На отскока като рязко и краткотрайно увеличаване на напрежението съответстват термините surge при негова продължителност над 3 ns и spike при по-малка продължителност. Основните причини за появата на отскок на напрежението 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.

Интересна за целите на електронната защита е интегралната схема FP0100 на Microchip (Фиг. 6), позволяваща реализиране на OCP и SCP със задаван чрез външен резистор прагов ток между 10 mA и 260 mA. Производителят Bourns предлага прибори за защита на основата на MOSFET технология TBU-CA Series и TSC DL Series. Най-важното им предимство е осигуряването на ОСР в бързи комуникационни линии със скорост на обмен на данните до 6 Gbps.