Autor artykułu, Art Kay, wspomina jak na studiach przez pomyłkę zdarzyło mu się podłączyć zasilanie 120 V AC do szyny zasilania mikrokontrolera (5 V DC). Układ scalony oczywiście eksplodował, a fragmenty ceramicznej obudowy DIP przeleciały przez całą salę. To jego pierwszy kontakt z, tak zwanymi, przeciążeniami elektrycznymi (EOS - ang. Electrical OverStress).
Oczywiście fakt iż nie należy podłączać 120 V do urządzeń zasilanych napięciem równym 5 V jest dosyć oczywisty, ale skąd wiedzieć jakie napięcia można podłączyć do naszego układu w bezpieczny sposób? Odpowiedź na to jest dosyć prosta i można ją odnaleźć w karcie katalogowej każdego układu w akapicie zatytułowanym "Absolute maximum ratings”. Tabela umieszczona w nim charakteryzuje, między innymi, jak duża amplituda sygnału może zostać przyłożona do wejścia układu, jaka jest maksymalna temperatura pracy czy najwyższe dopuszczalne napięcie zasilające, które to nie spowodują jego uszkodzenia. Na poniższej ilustracji przedstawiono przykładową tabelę tego typu, zaczerpniętą z karty katalogowej układu OPA192. W pierwszej kolejności skupmy się na napięciu zasilającym i amplitudzie sygnałów wejściowych, a w dalszej części artykuły omówimy inne parametry.
W omawiany przykładzie, maksymalne napięcie zasilające wynosi ±20 V dla napięcia symetrycznego lub też 40 V dla pojedynczego zasilania. Warto już teraz zwrócić uwagę iż maksymalne dopuszczalne napięcie przykładane do linii zasilania - 40 V - jest większe od specyfikowanego maksymalnego napięcia zasilającego, wynoszącego 36 V. Tabela zawierająca maksymalne parametry pracy zaprezentowana jest poniżej. Zasadniczą różnicą pomiędzy parametrami zawartymi w powyższej tabeli a poniższej jest to iż przekroczenie maksymalnych dopuszczalnych parametrów (tabela powyżej) spowodować może uszkodzenia układu scalonego, a przekraczanie maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy (tabela poniżej) powodować może pogorszenie parametrów elektrycznych układu, na przykład precyzji. Oznacza to że jeżeli zasilimy omawiany wzmacniacz operacyjny napięciem zasilającym równym, na przykład, 37 V to będzie on działał, ale nie tak dobrze jak działałby dla mniejszego.
Poniższe parametry są prawdziwe dla:
TA = 25 °C, VCM = VOUT = VS/2, oraz RLOAD = 10 kΩ, podłączone do Vs/2, o ile inaczej nie zaznaczono.
Rozumiejąc intencję definiowania absolutnych maksymalnych parametrów dla układów elektronicznych rozważmy dokładniej sygnały wejściowe. Poniższy obrazek ilustruje typowe parametry sygnałów wejściowych, które specyfikowane są powyżej. Zaprezentowane jest tak napięcie współbieżne jak i różnicowe, z których oba charakteryzują się pewnymi wartościami maksymalnymi. Napięcie współbieżne jest to napięcie które współwystępuje na obu wejściach wzmacniacza operacyjnego, napięcie różnicowe z kolei to różnica potencjałów pomiędzy wejściami op-ampa. W momencie normalnej pracy takiego wzmacniacza napięcie współbieżne przekłada się na napięcie offsetu wejściowego (Vos). W niektórych specyficznych przypadkach do układu podłączyć można większe napięcie różnicowe niż specyfikuje się w karcie katalogowej. Sytuacja taka nastąpić może gdy na przykład wzmacniacz operacyjny pracuje jako komparator lub jest podłączony do multipleksera, który może podawać większe niż specyfikowane napięcia na wejście podczas przełączania.
Tak długo jak wartość amplitudy sygnału wejściowego mniejsza będzie od absolutnego maksimum dla danego układu nie zostanie on uszkodzony. Wydaje się to być ekstremalnie proste, dlaczego więc powstaje tego typu artykuł? Otóż wejścia wzmacniacza operacyjnego są ekstremalnie często wyprowadzone w jakiejś formie na świat zewnętrzny. Na przykład jeśli projektowany układ pełni rolę miernika z zewnętrznie podłączonym sensorem. Za każdym razem, w tego typu aplikacji, zdarzyć się może iż okablowanie zostanie podłączone niepoprawnie, co może spowodować podanie nadmiernego napięcia na wejście układu. Dodatkowo w przypadku układu znajdującego się w niekorzystnych warunkach zakłóceń elektromagnetycznych nadmierne napięcie pojawić się może w liniach wejściowych na skutek sprzęgania się magnetycznego bądź pojemnościowego z innymi sygnałami. Tak czy inaczej, w wielu wypadkach, warto rozważyć zastosowanie w układzie dodatkowych zabezpieczeń przed zniszczeniem wzmacniacza na skutek nadmiernego napięcia na jego wejściu.
Najprostszym rozwiązaniem zapewniającym dodatkową ochronę dla wejścia op-ampa jest opornik ograniczający prąd płynący przez wejście. Warto zwrócić uwagę iż w drugiej z umieszczonych tabel wyraźnie zaznaczono iż prąd płynący do wejścia musi być niewiększy niż 10 mA. Opornik ograniczający prąd może zostać dobrany w taki sposób aby zapobiec uszkodzeniu wejścia przez nadmierne napięcie. Poniższy schemat pokazuje diody zabezpieczające układ przed wyładowaniami ESD (D1, D2, D3 i D4). Diody te nie są zaprojektowane do ciągłego przewodzenia, więc nie są w stanie zabezpieczyć układ przed niczym innym jak krótkimi wyładowaniami, charakterystycznymi dla wyładowań ESD - impulsów i napięciu kilku kV, trwających nanosekundy. Maksymalny ciągły prąd płynący przez taką diodę wynosić może właśnie 10 mA. Zatem kluczowym w ochronie wejść przed uszkodzeniem jest ograniczenie prądu do 10 mA, poprzez użycie szeregowych oporników. Warto się upewnić czy w używanym przez nas wzmacniaczu operacyjnym układ diod jest taki sam jak zaprezentowany poniżej.
Dobranie wartości rezystancji opornika wejściowego zależne jest od tego jakie założenie, co do maksymalnego napięcia wejściowego, poczynimy. Poniższe równanie prezentuje obliczenia dla założenia iż maksymalne napięcie wejściowe do układu wyniesie 100 V. Równanie wyprowadzone zostało na podstawie prawa Ohma i zasady Kirchoffa. Użycie opornika o większej rezystancji pozwoli na zwiększenie napięcia wejściowego.
Pamiętać musimy iż diody D5 oraz D6, odpowiedzialne za tłumienie przepięć w zasilaniu, konieczne są aby 'zaabsorbować uderzenie' pochodzące od nadmiernego napięcia, pojawiającego się na wejściu wzmacniacza operacyjnego. Jako diody te stosuje się transile. Są to specjalistyczne diody zoptymalizowane do zabezpieczania linii przed nadmiernym napięciem. Są one skonstruowane z dużą powierzchnią złącza, co pozwala im przewodzić - prze krótki czas - bardzo duże prądy. Konieczne jest stosowanie zabezpieczeń tego typu, ponieważ zasilacz może nie być w stanie dostatecznie szybko odpowiedzieć na pojawiające się nadmierne napięcie.
Wiemy już jak zastosować opornik ograniczający prąd do ochrony wejść sygnałowych przed nadmiernym napięciem oraz jak wyznaczyć optymalną wartość jego rezystancji. Kolejnym częstym źródłem przeciążeń elektrycznych układów scalonych jest nadmierne napięcie zasilające, pojawiające się w liniach zasilania. Może ono być wynikiem przepięć spowodowanych sprzęganiem się linii zasilania z innymi linami, na przykład zasilającymi urządzenia o wysokim poborze prądu i indukcyjnym charakterem oporu - na przykład silnikami elektrycznymi, które powodują znaczne przepięcia w liniach zasilania podczas rozruchu. Znaczne przepięcia w sieci zasilającej układ pojawiają się bardzo często w rzeczywistych urządzeniach elektrycznych zatem zawsze warto pamiętać o stosowaniu tego typu zabezpieczeń w projektowanych układach.
Najczęstszą metodą zabezpieczenia linii zasilającej jest stosowanie, opisanego powyżej, transila na każdej z linii. Element ten ogranicza napięcie w liniach zasilających do bezpiecznego poziomu. Przyjrzyjmy się bliżej specyfikacji transila i zasadzie jego działania.
Poniższa ilustracja pokazuje typową krzywą I-V transila. Układ ten zachowuje się mniej-więcej jak dioda Zenera, z tą tylko różnicą iż transil zoptymalizowany jest do odprowadzania nagłych impulsów o dużym napięciu i prądzie. Przyjrzyjmy się jakie są kluczowe parametry transila dla aplikacji go w systemie zabezpieczającym przed nadmiernym napięciem w linii zasilającej. Na zaprezentowanej krzywej I-V oznaczono kluczowe wartości, pozwalającej sparametryzować transil:
A w poniższej tabeli ujęto jego typowe parametry:
Napięcie VR (napięcie wsteczne) to normalne napięcie pracy zabezpieczenia. Przy tym napięciu układ, zasadniczo, nie przewodzi, pomijając niewielki prąd upływu (IR). Prąd IR jest zazwyczaj na poziomie mikroamperów. Prąd ten dodaje się do zużycia mocy w całym urządzeniu, co koniecznie trzeba uwzględnić w aplikacjach gdzie zużycie prądu jest istotne. Gdy napięcie zwiększy się powyżej normalnego napięcia pracy VR prąd upływu zwiększa się w zauważalny sposób, a gdy napięcie osiągnie i przekroczy napięcie przebicia lawinowego nastąpi bardzo szybki wzrost przepływającego prądu. Na zaprezentowanej krzyweh I-V zaznaczono położenie punktu VR. Odczytać możemy z powyższej tabeli iż przykładowy transil o napięciu pracy VR = 18 V charakteryzuje się prądem upływu IR = 5 µA.
Napięcie przy którym następuje przebicie lawinowe (VBR) to punkt w którym transil zaczyna efektywnie działać i przechodzi do stanu w którym przewodzi spory prąd. Po przebiciu napięcie na transilu stabilizuje się do relatywnie stałej wartości. Z tabeli powyżej odczytać można iż VBR wynosi od 20 V do 22,1 V z prądem przebicia równym 1 mA, dla przykładowego układu.
Z bliższej analizy krzywej I-V transila wynika iż napięcie jest dosyć stałe po tym jak nastąpi przebicie lawinowe układu, jednakże występuje pewien wzrost napięcia wraz z wzrostem prądu płynącego przez transil. Napięcie VC definiuje się po to aby ułatwić zrozumienie jak zachowuje się napięcie na transilu w stanie przebicia. Napięcie VC to napięcie na transilu podczas gdy płynie przez niego spory prąd. Dla niektórych układów podaje się nawet to napięcie dla różnych prądów płynących przez układ. W tym przypadku maksymalne napięcie VC wynosi 29,2 V, przy prądzie płynącym przez transil równym IPP - 13,7 A.
W kolejnej części opisany zostanie sposób estymacji zachowania napięcia VC w funkcji prądu płynącego przez transil. Dobór parametrów transila także zostanie omówiony w kolejnej części cyklu, poświęconego ochronie układów scalonych przed przeciążeniami elektrycznymi.
Źródła:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/05/08/part-1-electrical-overstress-in-a-nut-shell.aspx
http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/06/05/part-2-electrical-overstress-in-a-nut-shell.aspx
Oczywiście fakt iż nie należy podłączać 120 V do urządzeń zasilanych napięciem równym 5 V jest dosyć oczywisty, ale skąd wiedzieć jakie napięcia można podłączyć do naszego układu w bezpieczny sposób? Odpowiedź na to jest dosyć prosta i można ją odnaleźć w karcie katalogowej każdego układu w akapicie zatytułowanym "Absolute maximum ratings”. Tabela umieszczona w nim charakteryzuje, między innymi, jak duża amplituda sygnału może zostać przyłożona do wejścia układu, jaka jest maksymalna temperatura pracy czy najwyższe dopuszczalne napięcie zasilające, które to nie spowodują jego uszkodzenia. Na poniższej ilustracji przedstawiono przykładową tabelę tego typu, zaczerpniętą z karty katalogowej układu OPA192. W pierwszej kolejności skupmy się na napięciu zasilającym i amplitudzie sygnałów wejściowych, a w dalszej części artykuły omówimy inne parametry.
W omawiany przykładzie, maksymalne napięcie zasilające wynosi ±20 V dla napięcia symetrycznego lub też 40 V dla pojedynczego zasilania. Warto już teraz zwrócić uwagę iż maksymalne dopuszczalne napięcie przykładane do linii zasilania - 40 V - jest większe od specyfikowanego maksymalnego napięcia zasilającego, wynoszącego 36 V. Tabela zawierająca maksymalne parametry pracy zaprezentowana jest poniżej. Zasadniczą różnicą pomiędzy parametrami zawartymi w powyższej tabeli a poniższej jest to iż przekroczenie maksymalnych dopuszczalnych parametrów (tabela powyżej) spowodować może uszkodzenia układu scalonego, a przekraczanie maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy (tabela poniżej) powodować może pogorszenie parametrów elektrycznych układu, na przykład precyzji. Oznacza to że jeżeli zasilimy omawiany wzmacniacz operacyjny napięciem zasilającym równym, na przykład, 37 V to będzie on działał, ale nie tak dobrze jak działałby dla mniejszego.
Poniższe parametry są prawdziwe dla:
TA = 25 °C, VCM = VOUT = VS/2, oraz RLOAD = 10 kΩ, podłączone do Vs/2, o ile inaczej nie zaznaczono.
Rozumiejąc intencję definiowania absolutnych maksymalnych parametrów dla układów elektronicznych rozważmy dokładniej sygnały wejściowe. Poniższy obrazek ilustruje typowe parametry sygnałów wejściowych, które specyfikowane są powyżej. Zaprezentowane jest tak napięcie współbieżne jak i różnicowe, z których oba charakteryzują się pewnymi wartościami maksymalnymi. Napięcie współbieżne jest to napięcie które współwystępuje na obu wejściach wzmacniacza operacyjnego, napięcie różnicowe z kolei to różnica potencjałów pomiędzy wejściami op-ampa. W momencie normalnej pracy takiego wzmacniacza napięcie współbieżne przekłada się na napięcie offsetu wejściowego (Vos). W niektórych specyficznych przypadkach do układu podłączyć można większe napięcie różnicowe niż specyfikuje się w karcie katalogowej. Sytuacja taka nastąpić może gdy na przykład wzmacniacz operacyjny pracuje jako komparator lub jest podłączony do multipleksera, który może podawać większe niż specyfikowane napięcia na wejście podczas przełączania.
Tak długo jak wartość amplitudy sygnału wejściowego mniejsza będzie od absolutnego maksimum dla danego układu nie zostanie on uszkodzony. Wydaje się to być ekstremalnie proste, dlaczego więc powstaje tego typu artykuł? Otóż wejścia wzmacniacza operacyjnego są ekstremalnie często wyprowadzone w jakiejś formie na świat zewnętrzny. Na przykład jeśli projektowany układ pełni rolę miernika z zewnętrznie podłączonym sensorem. Za każdym razem, w tego typu aplikacji, zdarzyć się może iż okablowanie zostanie podłączone niepoprawnie, co może spowodować podanie nadmiernego napięcia na wejście układu. Dodatkowo w przypadku układu znajdującego się w niekorzystnych warunkach zakłóceń elektromagnetycznych nadmierne napięcie pojawić się może w liniach wejściowych na skutek sprzęgania się magnetycznego bądź pojemnościowego z innymi sygnałami. Tak czy inaczej, w wielu wypadkach, warto rozważyć zastosowanie w układzie dodatkowych zabezpieczeń przed zniszczeniem wzmacniacza na skutek nadmiernego napięcia na jego wejściu.
Najprostszym rozwiązaniem zapewniającym dodatkową ochronę dla wejścia op-ampa jest opornik ograniczający prąd płynący przez wejście. Warto zwrócić uwagę iż w drugiej z umieszczonych tabel wyraźnie zaznaczono iż prąd płynący do wejścia musi być niewiększy niż 10 mA. Opornik ograniczający prąd może zostać dobrany w taki sposób aby zapobiec uszkodzeniu wejścia przez nadmierne napięcie. Poniższy schemat pokazuje diody zabezpieczające układ przed wyładowaniami ESD (D1, D2, D3 i D4). Diody te nie są zaprojektowane do ciągłego przewodzenia, więc nie są w stanie zabezpieczyć układ przed niczym innym jak krótkimi wyładowaniami, charakterystycznymi dla wyładowań ESD - impulsów i napięciu kilku kV, trwających nanosekundy. Maksymalny ciągły prąd płynący przez taką diodę wynosić może właśnie 10 mA. Zatem kluczowym w ochronie wejść przed uszkodzeniem jest ograniczenie prądu do 10 mA, poprzez użycie szeregowych oporników. Warto się upewnić czy w używanym przez nas wzmacniaczu operacyjnym układ diod jest taki sam jak zaprezentowany poniżej.
Dobranie wartości rezystancji opornika wejściowego zależne jest od tego jakie założenie, co do maksymalnego napięcia wejściowego, poczynimy. Poniższe równanie prezentuje obliczenia dla założenia iż maksymalne napięcie wejściowe do układu wyniesie 100 V. Równanie wyprowadzone zostało na podstawie prawa Ohma i zasady Kirchoffa. Użycie opornika o większej rezystancji pozwoli na zwiększenie napięcia wejściowego.
Pamiętać musimy iż diody D5 oraz D6, odpowiedzialne za tłumienie przepięć w zasilaniu, konieczne są aby 'zaabsorbować uderzenie' pochodzące od nadmiernego napięcia, pojawiającego się na wejściu wzmacniacza operacyjnego. Jako diody te stosuje się transile. Są to specjalistyczne diody zoptymalizowane do zabezpieczania linii przed nadmiernym napięciem. Są one skonstruowane z dużą powierzchnią złącza, co pozwala im przewodzić - prze krótki czas - bardzo duże prądy. Konieczne jest stosowanie zabezpieczeń tego typu, ponieważ zasilacz może nie być w stanie dostatecznie szybko odpowiedzieć na pojawiające się nadmierne napięcie.
Wiemy już jak zastosować opornik ograniczający prąd do ochrony wejść sygnałowych przed nadmiernym napięciem oraz jak wyznaczyć optymalną wartość jego rezystancji. Kolejnym częstym źródłem przeciążeń elektrycznych układów scalonych jest nadmierne napięcie zasilające, pojawiające się w liniach zasilania. Może ono być wynikiem przepięć spowodowanych sprzęganiem się linii zasilania z innymi linami, na przykład zasilającymi urządzenia o wysokim poborze prądu i indukcyjnym charakterem oporu - na przykład silnikami elektrycznymi, które powodują znaczne przepięcia w liniach zasilania podczas rozruchu. Znaczne przepięcia w sieci zasilającej układ pojawiają się bardzo często w rzeczywistych urządzeniach elektrycznych zatem zawsze warto pamiętać o stosowaniu tego typu zabezpieczeń w projektowanych układach.
Najczęstszą metodą zabezpieczenia linii zasilającej jest stosowanie, opisanego powyżej, transila na każdej z linii. Element ten ogranicza napięcie w liniach zasilających do bezpiecznego poziomu. Przyjrzyjmy się bliżej specyfikacji transila i zasadzie jego działania.
Poniższa ilustracja pokazuje typową krzywą I-V transila. Układ ten zachowuje się mniej-więcej jak dioda Zenera, z tą tylko różnicą iż transil zoptymalizowany jest do odprowadzania nagłych impulsów o dużym napięciu i prądzie. Przyjrzyjmy się jakie są kluczowe parametry transila dla aplikacji go w systemie zabezpieczającym przed nadmiernym napięciem w linii zasilającej. Na zaprezentowanej krzywej I-V oznaczono kluczowe wartości, pozwalającej sparametryzować transil:
A w poniższej tabeli ujęto jego typowe parametry:
Napięcie VR (napięcie wsteczne) to normalne napięcie pracy zabezpieczenia. Przy tym napięciu układ, zasadniczo, nie przewodzi, pomijając niewielki prąd upływu (IR). Prąd IR jest zazwyczaj na poziomie mikroamperów. Prąd ten dodaje się do zużycia mocy w całym urządzeniu, co koniecznie trzeba uwzględnić w aplikacjach gdzie zużycie prądu jest istotne. Gdy napięcie zwiększy się powyżej normalnego napięcia pracy VR prąd upływu zwiększa się w zauważalny sposób, a gdy napięcie osiągnie i przekroczy napięcie przebicia lawinowego nastąpi bardzo szybki wzrost przepływającego prądu. Na zaprezentowanej krzyweh I-V zaznaczono położenie punktu VR. Odczytać możemy z powyższej tabeli iż przykładowy transil o napięciu pracy VR = 18 V charakteryzuje się prądem upływu IR = 5 µA.
Napięcie przy którym następuje przebicie lawinowe (VBR) to punkt w którym transil zaczyna efektywnie działać i przechodzi do stanu w którym przewodzi spory prąd. Po przebiciu napięcie na transilu stabilizuje się do relatywnie stałej wartości. Z tabeli powyżej odczytać można iż VBR wynosi od 20 V do 22,1 V z prądem przebicia równym 1 mA, dla przykładowego układu.
Z bliższej analizy krzywej I-V transila wynika iż napięcie jest dosyć stałe po tym jak nastąpi przebicie lawinowe układu, jednakże występuje pewien wzrost napięcia wraz z wzrostem prądu płynącego przez transil. Napięcie VC definiuje się po to aby ułatwić zrozumienie jak zachowuje się napięcie na transilu w stanie przebicia. Napięcie VC to napięcie na transilu podczas gdy płynie przez niego spory prąd. Dla niektórych układów podaje się nawet to napięcie dla różnych prądów płynących przez układ. W tym przypadku maksymalne napięcie VC wynosi 29,2 V, przy prądzie płynącym przez transil równym IPP - 13,7 A.
W kolejnej części opisany zostanie sposób estymacji zachowania napięcia VC w funkcji prądu płynącego przez transil. Dobór parametrów transila także zostanie omówiony w kolejnej części cyklu, poświęconego ochronie układów scalonych przed przeciążeniami elektrycznymi.
Źródła:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/05/08/part-1-electrical-overstress-in-a-nut-shell.aspx
http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/06/05/part-2-electrical-overstress-in-a-nut-shell.aspx
Cool? Ranking DIY
