ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ

Сейчас, из-за чувствительности полупроводниковых элементов к превышению допустимых параметров, элементы защиты от перенапряжения необходимо обязательно включать в электронные конструкции.

Одной из самых больших угроз для современных полупроводниковых приборов является молния. Хотя вероятность такого воздействия на данное устройство статистически относительно мала, если это всё-же произойдет, эффект может быть серьезным. И здесь все зависит от количества энергии, которой будут подвергаться полупроводники.

Следует отметить, что одни обладают большей устойчивостью к электростатическим разрядам, другие меньшей, а возможные повреждения могут быть скрытыми или катастрофическими. Например, низковольтные полевые МОП-транзисторы выходят из строя от уже на 10 вольт выше допустимого напряжения. Просто для производства этих элементов используется технология на основе арсенида галлия, что увеличило быстродействие, но снизило сопротивление поглощению энергии.

Молнии

Меняющиеся климатические условия вызывают более частые и сильные грозы. В каждый момент в мире происходит около 1800 таких явлений, а частота молнии оценивается примерно 100 в секунду. Следует учитывать что здания высотой более 300 м, такие как радио- и телемачты, могут быть поражены молнией 20 раз в год. Во время такого события генерируется напряжение порядка 600 МВ, а пиковый ток составляет около 20 кА. Одна вспышка молнии сопровождается тремя-пятью ударами, происходящими с 60-миллисекундными интервалами, за которыми следует непрерывный ток примерно 150 А в течение еще 120 мс.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Типовая модель грозового разряда с непрерывным и прерывистым протеканием тока

Вывод из этого наблюдения состоит в том, что при проектировании и производстве цепей защиты необходимо использовать радиочастотные технологии. Хотя эти короткоживущие всплески несут относительно мало энергии, а наибольшую опасность представляет именно непрерывный ток. Пример модели разряда молнии показан на рисунке. В местах, расположенных в самой точке удара молнии, может быть несколько фрагментов с непрерывным током, а на некотором расстоянии их может не быть вовсе.

Конечно, риск необратимого повреждения устройства при этом снижается, но следует учитывать скрытые повреждения, которые могут быть обнаружены только в определенных ситуациях.

Одной из мер, позволяющих прогнозировать воздействие молнии, является количественная оценка напряжения, индуцированного во время удара молнии, в зависимости от расстояния от эпицентра. Пример такой зависимости представлен на рисунке.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Напряжение, индуцированное молнией, в зависимости от расстояния до места удара грома

Это может показаться несколько удивительным, но закапывание кабеля в землю — не лучшая форма молниезащиты для ЛЭП, так как земля практически «прозрачна» для полей, излучаемых молнией. Оказывается даже, что подземные линии чаще поражаются молнией, чем воздушные.

Коммутация нагрузок в силовых цепях

Индуктивные переходные процессы возникают при включении реактивных нагрузок, таких как двигатели, электромагнитные катушки, реле и другие. Быстро меняющееся магнитное поле индуцирует напряжение на обмотке индуктивной нагрузки. Оно выражается соотношением:

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ

где: L – индуктивность, выраженная в генри, di/dt – скорость изменения в амперах в секунду.

Переходные процессы могут возникать как при сбое питания, так и при нормальном переключении нагрузки. Вся энергия, связанная с прерыванием подачи питания, запасается в индуктивности и равна:

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ

где: w – энергия, выраженная в джоулях, i – мгновенный ток в Амперах, протекающий в переходном состоянии.

Явления, возникающие при переходных состояниях в моменты переключения, можно назвать тихими убийцами, так как они разрушают полупроводниковые элементы без внешних воздействий. Дыма не выделяется, корпус элемента не поврежден, но полупроводниковая структура оказывается разрушена.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала спецификацию МЭК 61000-4-4, в которой описываются риски наведения переходных напряжений при переключении длительностью 50 нс и амплитудой от 2 до 4 кВ, происходящих последовательно с длительностью 300 мс.

Электростатический разряд (ESD)

Электростатический разряд (ЭСР или ESD) представляет собой опасность, с которой сталкиваемся при производстве, транспортировке и обращении со многими полупроводниковыми устройствами, особенно с незащищенными полевыми МОП-транзисторами, полупроводниками, предназначенными для работы в микроволновом диапазоне частот, и очень быстрыми логическими микросхемами с 2 нс и менее.

Компоненты и устройства подверженные таким опасностям обычно поставляются в электропроводящих контейнерах, чтобы на всей поверхности упаковки поддерживался постоянный электрический потенциал. Кроме того необходимы и другие меры предосторожности, которые следует соблюдать, например, во время производства. Это заземляющие ленты для сотрудников имеющих контакт с чувствительными элементами, заземленные паяльные жала, нагнетатели ионизированного воздуха и так далее. Также следует помнить, что правильная и безопасная установка устройства не гарантирует устойчивости к электростатическим разрядам. Устройства все еще могут быть повреждены, например если к сигнальным розеткам или даже к клавиатуре прикасаются люди, которые имеют накопленный заряд, например идя по ковру или иным образом.

Электрическая волна связанная с электростатическим разрядом, представляет собой импульс с временем нарастания около 1 нс и длительностью от 100 до 300 мкс. Пиковое напряжение в сухую погоду может достигать 30 кВ, хотя типичные значения составляют 0,5…5 кВ. На время нарастания влияет источник передающий электростатический заряд. Это явление происходит наиболее быстро, когда разряд идет с кончика инструмента. Выброс из пальца или руки немного медленнее. Типичный человек с электрической емкостью тела 150 пФ, накопивший заряд в 3 микрокулона, вырабатывает электрический потенциал до 20 кВ (по известной формуле: U = Q/C). Энергия передаваемая в этом случае равна:

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ

Большая часть микросхем разрушается импульсом 2500 В, а человек, передающий заряд, может не ощутить эффекта пробоя при напряжении менее 3500 В.

На практике часто используются специальные защитные элементы, которые следует размещать особенно в тех точках схемы, которые подвержены контакту человека, например разъемы портов ввода-вывода.

Причин перенапряжений в электронных схемах гораздо больше чем молнии и электростатические разряды. Некоторые из них весьма прозаичны, например ошибочное подключение сигнальных линий к линиям электропередач. Такую ошибку очень легко обнаружить, но намного сложнее локализовать неисправность вызванную воздействием микроволнового излучения или электромагнитным воздействием солнечных всплесков на электронику. В прошлом сообщалось о неисправностях вызванных и такими факторами.

Формы импульсов

Затухающая синусоида частотой 100 кГц используется для имитации быстрых событий, таких как индуктивно связанные токи и напряжения из-за ударов молнии или переключения батарей конденсаторов в энергосхемах. Примерная форма такого сигнала показана на рисунке ниже. Очень часто она является причиной многих сбоев в работе, при этом не вызывая никаких отказов. Схемы защиты от перенапряжения не защищают устройства от этого типа сигнала.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Затухающая синусоида с частотой 100 кГц

Быстрые электрические переходные процессы. Сигналы электрических быстрых переходных процессов (EFT) используются для проверки устойчивости к помехам. Однако течение этого типа не отражает деятельности конкретной среды, вызывающей эти нарушения. Форма волны EFT состоит из серии импульсов с двойной экспонентой, характеризующихся коротким временем нарастания (5 нс) и короткой длительностью (50 нс). Пример такого типа сигнала показан на рисунке далее.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Форма волны EFT состоит из серии импульсов

Изучение воздействия грозовых разрядов на электронные устройства включают, в том числе при выполнении различных тестов. В них используются искусственно индуцированные перенапряжения, которые можно прикладывать как к силовым, так и к сигнальным линиям. Испытательный стенд состоит из тестируемого устройства и необходимого оборудования. Поэтому схема должна быть спроектирована таким образом, чтобы гарантировать полную безопасность измерительных приборов. Тут необходимым условием является использование соответствующих схем защиты и ограничителей перенапряжения.

Результаты испытаний на перенапряжение делятся на 4 категории:

  1. Корректная работа тестируемого устройства на протяжении всей процедуры тестирования.
  2. Остановка работы устройства после возникновения перенапряжения и возврат к нормальной работе после исчезновения перенапряжения без участия оператора.
  3. Устройство прекращает работу после возникновения перенапряжения и возвращается к нормальной работе после вмешательства оператора.
  4. Физическое необратимое повреждение устройства после создания перенапряжения.

Наиболее часто используемыми стандартами в отношении испытаний на электростатический разряд являются IEC 61000-4-2 для широкого спектра коммерческого и промышленного оборудования и ISO 10605 для автомобильного оборудования. Форма кривой тока, используемая для измерения сопротивления электростатическим помехам, показана на рисунке. Ее можно отличить по начальному всплеску тока с временем нарастания менее 1 наносекунды и гораздо более длинному хвосту. Стандарты IEC 61000-4-2 и ISO 10605 для контактных разрядов определяют одинаковый номинальный пиковый ток 3,75 А/кВ и время нарастания от 0,7 нс до 1 нс. В стандарте IEC хвост тока начинается с тока примерно половины пикового тока со временем затухания примерно 50 нс. В автомобильном стандарте начальный хвостовой ток составляет примерно одну шестую стандартного хвостового тока IEC, но время затухания составляет 300 нс или 660 нс.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Форма волны тока, используемая для измерения устойчивости к электростатическим помехам

Электростатика воздействует на испытуемое устройство с помощью ручного источника импульсов, часто называемого электростатическим пистолетом. Конфигурация испытательного стенда показана на рисунке. Деревянный стол на котором размещена установка помещен на металлическую пластину заземления. Металлическая горизонтальная соединительная пластина проходит над столешницей и соединяется с землей через последовательно соединенные резисторы. На плоскость соединения наносится изолятор. Кабель заземления пистолета ESD крепится к пластине заземления. Устройство исследуют на протяжении всего теста, помещенного на стол.

Сила ESD прикладывается прямо или косвенно к тестируемому устройству. Прямые испытания проводят контактным разрядом на токопроводящие поверхности, а при непрямых испытаниях разряд направляют из воздуха на изолирующие поверхности. При прямом испытании наконечник пистолета помещается на проводящую поверхность, пистолет заряжается до испытательного напряжения, и импульс разряда запускается реле пистолета. В воздушном разряде пистолет снабжен закругленным наконечником, который заряжается от конденсатора до испытательного напряжения. Затем пистолет приближают к испытуемому устройству. Разрядка происходит после пробоя воздуха.

Косвенный разряд представляет собой контактный разряд в горизонтальную плоскость сопряжения или в вертикальную плоскость сопряжения вблизи испытуемого устройства. Таким образом моделируются помехи которые могут быть вызваны электромагнитными импульсами в объектах вблизи тестируемого устройства. Аналогичным образом, хотя и с некоторыми отличиями, тестируются устройства, подпадающие под действие автомобильного стандарта ISO 10605.

Первичная и вторичная защита

Схемы защиты от перенапряжения можно разделить на первичные и вторичные. Можно сказать что первичные цепи расположены ближе к источнику перенапряжения, а вторичные максимально приближены к защищаемым элементам. Первичная цепь в первую очередь предназначена для защиты от молнии, которая может привести к возгоранию или поражению электрическим током в результате удара молнии.

К сожалению, схемы защиты проводящие большие токи, обычно имеют довольно длительное время включения, а напряжение срабатывания слишком велико для защиты высокочувствительных цепей.

Внешний защитный элемент также не защитит устройство от перенапряжения, возникающего внутри здания. По этой причине обычно используется вторичная схема защиты, которая располагается внутри здания. В таком случае можно оптимизировать схему защиты с точки зрения требований защищаемой цепи. Дополнительным преимуществом этого решения является то, что падение напряжения между первичными и вторичными цепями защиты, будь то паразитное или преднамеренное, может способствовать срабатыванию первичной защиты, как только вторичная защита становится проводящей. Иногда используется дополнительный уровень защиты в виде ограничителя тока, протекающего между первичной и вторичной цепями.

Устройства защиты от перенапряжения

Устройства защиты от перенапряжения обычно делятся на однонаправленные и двунаправленные. Также можно выделить ограничители тока или напряжения. Кроме того, к ограничителям тока относятся устройства с одноразовым срабатыванием или сбрасываемые устройства.

Односторонняя и двусторонняя схемы защиты. Требования к защите для узлов с положительным или отрицательным напряжением отличаются только от узлов, где напряжения проходят через уровень 0 В. На рисунке показана односторонняя и двусторонняя схема подавителей переходного напряжения (TVS). Вольт-амперные характеристики однонаправленной цепи аналогичны характеристикам обычного диода. Использование их в схеме приведет к тому, что напряжение сигнала не будет искажаться если напряжение останется между 0 В и напряжением пробоя TVS. Таким образом, однонаправленный TVS защищает от отрицательных напряжений подаваемых на вход, что является следствием разброса характеристик при прямом смещении. При положительных входных напряжениях схема защиты начинает работать только после превышения обратного напряжения пробоя. Возможна также обратная полярность схемы защиты, что также приведет к изменению полярности входного напряжения.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Вольт-амперные характеристики одно- и двухнаправленных устройств защиты

Двунаправленная схема защиты ведет себя как два параллельно включенных диода с противоположной полярностью. В этом случае входное напряжение может быть между отрицательным напряжением пробоя и положительным значением.

Выбор метода защиты

Есть несколько соображений при выборе методов защиты. Рассмотрим типовую схему, показанную на рисунке. К входу микросхемы подключена сигнальная линия, которая вводится из незащищенной электрической среды. Поэтому подвержена различным внешним перенапряжениям, уровни которых значительно превышают допустимые значения для входов интегральной микросхемы. Необходимо использовать схему, поддерживающую безопасное напряжение на входе микросхемы. Выбор схемы защиты следует производить с учетом характера защищаемого элемента и характера угроз.

Что касается сопротивления защиты, то насколько низким оно должно быть, чтобы разрядное напряжение не превышало опасную зону, зависит от того, насколько большой будет протекать ток в результате разряда. Поэтому необходимо знать его природу. Можно применять определения, используемые в стандартных промышленных испытаниях на устойчивость устройств к внешним перенапряжениям. Они определяют формы сигналов тока и напряжения, которые должно выдерживать устройство тестируемое в данной среде.

Например: устройство должно выдерживать перегрузку по току 20 А. Предположим, что защищаемое устройство нормально работает при входном напряжении от 0 В до 3,6 В, а повреждение происходит после превышения напряжения 8 В. Схема защиты активируется при напряжении 5 В, таким образом сохраняется безопасный запас от номинального напряжения. Оно также может пропускать ток 20 А при напряжении, не повреждающем защищаемую схему.

Всё это не является единственным фактором, которые следует учитывать при выборе компонентов безопасности. Защита интерфейсов, таких как телефонные линии и другие кабельные системы передачи данных, которые имеют дифференциальные линии, требует ещё большего внимания. Обычно в таких устройствах есть основные и дополнительные предохранители. Емкость элемента защиты может быть даже более важным параметром, чем сопротивление элемента защиты. Дополнительные расчёты включают размер элемента, размещение на печатной плате и стоимость.

Понятно что защита не может быть активирована в нормальном диапазоне работы устройства. Также важно чтобы емкость защитного элемента не ухудшала импульсный сигнал, передаваемый по линии, при сохранении низкого сопротивления во включенном состоянии, чтобы поддерживать напряжение защищаемого узла ниже опасной зоны для защищаемой цепи. На практике используется множество электронных компонентов с защитной функцией.

Примеры схем защиты от перенапряжения

Дифференциальная парная защита. В интерфейсе, содержащем дифференциальный сигнал, можно ожидать два типа перенапряжения. Первое может происходить между положительной линией и массой или между отрицательной линией и массой, последнее может происходить непосредственно между положительной и отрицательной линиями. Варианты защиты для такой схемы показаны на рисунке далее.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Примеры защиты от перенапряжения для дифференциальной пары

Преимущество рисунка A состоит в том, что используются только два элемента защиты. Напряжение между линиями P и N может быть в два раза выше, чем между землей и линиями P или N, что, к сожалению, является недостатком этой конфигурации. Этот недостаток был устранен в другой схеме, так как каждая сигнальная линия нагружается емкостью два вместо одного охранного элемента. В свою очередь в схеме, показанной на рисунке C, нагрузочная способность линии была снижена за счет добавления последовательного элемента защиты. В этой конфигурации напряжение активации элементов защиты должно быть уменьшено по сравнению с элементами, используемыми в схеме на рисунках A и B.

Защита линии USB. Универсальная последовательная шина USB является самым популярным интерфейсом, используемым сегодня для подключения компьютеров и всевозможных периферийных устройств. Разъём включает в себя 4 провода – линию питания, линию заземления и двухпроводную дифференциальную линию передачи данных. Длина кабеля не должна превышать 5 метров.

Предполагалось использовать интерфейс только в помещениях, поэтому нет необходимости использовать защиту от перенапряжения, вызванного грозовыми разрядами. Проблема заключается в электростатическом разряде (ЭСР). Возможны ситуации, при которых два подключенных устройства имеют разный электростатический заряд и при подключении они замыкаются. Это явление называется событием разрядки кабеля (CDE). Поэтому необходимо использовать электростатическую защиту портов USB.

Схема защиты порта USB должна учитывать наличие напряжения на линиях питания (VCC – GND) равное 5 В. Емкость элемента защиты для интерфейса USB 2.0 при скорости передачи 480 Мб/с не должна превышает несколько пикофарад. Примерная мера безопасности может быть реализована, как показано на B. Самое простое решение — подключить линии D+ и D- к линии заземления через маломощные элементы TVS. Напряжение срабатывания защиты должно быть на 3,6 В выше максимально высокого уровня, а компоненты защиты должны выдерживать сигналы от -1 В до +4,6 В. Для защиты линии VCC от линии заземления используется независимый компонент.

ЗАЩИТА СХЕМ ОТ МОЛНИЙ И СТАТИКИ
Способы защиты USB-порта

Порт USB можно защитить и немного другим способом, это показано на рисунке C. Каждая из сигнальных линий представляет собой диод, подключенный как к линиям VCC, так и к линиям GND. Эти диоды смещены в обратном направлении до тех пор, пока напряжения на линиях данных не превышают потенциалы линий VCC и GND. В случае если напряжение линии данных поднимается выше VCC или падает ниже VCC, низкое сопротивление диода создает путь тока к линии VCC или GND. Линии питания защищены от перенапряжения стабилитроном D5. Его обратное напряжение должно быть больше 6 В, чтобы избежать его включения при нормальной работе схемы.

Схема показанная на C, имеет еще одно дополнительное преимущество. Емкость диода увеличивается с уменьшением напряжения пробоя. Поэтому использование низковольтных стабилитронов ограничено в случае высокоскоростных линий передачи данных.

В схеме, показанной на рисунке B, стабилитрон расположен только между линиями VCC и GND, для которых емкость диода не имеет значения. Работа диодов D1…D4 важна только при прямой полярности, для которой они имеют малое сопротивление. Таким образом эти диоды могут иметь высокое обратное напряжение, что соответствует низкой емкости. Хотя обсуждаемая схема может быть реализована из дискретных элементов, часто используются готовые интегральные варианты, содержащие набор диодов в едином корпусе.