Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przeciążenia elektryczne układów scalonych - część 2

ghost666 17 Lip 2014 14:13 2577 0
  • W poprzedniej części cyklu, dostępnej tutaj, zajmowaliśmy się maksymalnymi dopuszczalnymi parametrami elektrycznymi układów scalonych, a także mechanizmem funkcjonowania transila. W drugiej części skupimy się na metodyce doboru transila do konkretnej aplikacji w układzie. Wystarczy dokonywać tego wyboru krok po kroku:

    1. Rozważmy wielkość obudowy transila i maksymalną rozpraszaną moc.

    Moc transila generalnie wyznacza się jako iloczyn maksymalnego napięcia pomnożonego przez maksymalny prąd impulsowy (Ppp = Ipp * Vc). Maksymalne rozpraszanie mocy podaje się w karcie katalogowej układu zazwyczaj dla impulsu trwającego 1 ms. Jedną z zalet wykorzystania transila o wyższej mocy maksymalnej jest fakt iż krzywa I-V w regionie przebicia jest bardzo stroma. W dalszej części artykułu omówimy precyzyjniej kształt krzywej I-V, szczególnie w wspomnianym rejonie. Na tym poziomie jednak warto zwrócić uwagę iż kontrola napięcia jest lepsza dla układu o większej mocy niż mniejszej.

    Warto zwrócić uwagę na rysunek poniżej, który pokazuje w jaki sposób maksymalna moc rozpraszana zależna jest od wielkości obudowy transila. Niestety układy te są dosyć obszerne i często mogą zajmować więcej miejsca na PCB niż wzmacniacze które ochraniają. Z drugiej strony nie ma konieczności stosowania transila dla każdego układu scalonego w systemie, często wystarczy tylko jeden transil na całą szynę zasilania, ewentualnie kilka w przypadku dużej płytki drukowanej. W opisywanym tutaj przykładzie wybierzemy transil o mocy rozpraszanej równej 400 W, w celu minimalizacji rozmiarów jaki transil zajmie na PCB. W dalszej części artykułu zobaczymy jak nasz wybór ma wpływ na napięcie w systemie, szczególnie przy przepięciach o większym prądzie.

    Przeciążenia elektryczne układów scalonych - część 2


    2. Wybierz maksymalne napięcie wsteczne transila

    Maksymalne napięcie wsteczne Vr układu zabezpieczającego powinno być równe maksymalnemu, dopuszczalnemu napięciu zasilania układu scalonego. (±18 V - wartość odczytać można z tabeli z parametrami OPA192, znajdującej się poniżej tabeli z wybranymi wstępnie transilami). Dlatego też skupmy się na transilach o Vr = 18 V. Tak długo jak napięcie zasilające będzie niższe od tego napięcia transil nie będzie przewodził (pomijając oczywiście prąd upływu, wynoszący kilka mikroamperów). Poniższa tabela pokazuje dwa przykładowe transile z maksymalnym napięciem wstecznym równym 18 V, wybrane jako przykłady. Ich prąd upływu wynosi 5 µA i 10 µA.





    ElementMaksymalne napięcie wsteczne, VrUpływ, Ir@VrNapięcie przebicia Vbr ( min - max)Prąd przebicia IbrMaksymalne napięcie przy przepięciu, VcMaksymalny prąd impulsowy IppMoc szczytowa Ppp
    SMAJ18A18 V5 µA20,0 V - 22,1 V1 mA29,2 V13,7 A400 W
    5.0SMDJ18 A18 V10 µA20,0 V - 22,1 V1 mA29,2 V172 A5000 W


    Maksymalne parametry elektryczne wzmacniacza OPA192 wyglądają następująco:

    ParametrWartośćJednostki
    Napięcie zasilania±20 (+40, przy zasilaniu niesymetrycznym)V
    Maksymalne napięcie wejściowe (współbieżne)(V-) - 0.5 do (V+) + 0.5V
    Maksymalne napięcie wejściowe (różnicowe(V+) - (V-) + 0.2V
    Maksymalny prąd wejściowy±10mA
    Zwarcie wyjściaCiągłe
    Temperatura pracy-55 do 150?
    Temperatura przechowywania-55 do 150?
    Temperatura złącza (maksymalna)150?
    Maksymalne wyładowanie elektrostatyczne (model ludzkiego ciała - HBM)4kV
    Maksymalne wyładowanie elektrostatyczne (model naładowanego układu - CDM)1kV


    I jego parametry pracy:

    ParametrOpisWarunki testowaniaMinimalneTypoweMaksymalneJednostka
    VsZakres napięć zasilania4,536V
    IqPrąd pobierany przy braku sygnału Io = 0A11,2mA
    IqPrąd pobierany przy braku sygnału Ta = -40°C to 125°C, Io = 0 A1,5mA


    3. Oceń zależność pomiędzy napięciem i prądem transila gdy będzie on przewodził

    Aby zrozumieć tą zależność rozważyć musimy napięcie przebicia Vbr i maksymalne napięcie przy przepięciu Vc. Napięcie przebicia to punkt w którym zaczyna się zabezpieczające działanie transila, gdyż wchodzi on w stan przebicia i "włącza się", co powoduje iż zaczyna płynąć dużo większy prąd. Rosnący prąd powoduje także iż pojawia się spadek napięcia na transilu. Jest on wynikiem rezystancji szeregowej układu oraz ogrzewania się układu. Maksymalne napięcie przy przepięciu (Vc) to właśnie ten spadek napięcia, zmierzony przy dużym prądzie. W naszym przykładzie, przy płynącym prądzie równym 13,7 A spadek napięcia na transilu wyniesie 29,2 V. Celem działania naszego zabezpieczenia jest ograniczenie napięcia zasilania do bezpiecznego dla chronionego wzmacniacza poziomu. Rzeczywiste napięcie na transilu zależne jest od płynącego przezeń prądu i leży w zakresie od napięcia przebicia do maksymalnego napięcia Vc.

    Poniżej widoczna jest krzywa I-V charakteryzująca zależność pomiędzy napięciem przebicia a maksymalnym napięciem na transilu - zależność ta jest liniowa. Możliwe jest wykorzystanie tych dwóch punktów do wyznaczenia równania prostej, które pomoże nam wyznaczyć napięcie wsteczne dla każdego prądu w zakresie pomiędzy prądem przebicia i maksymalnym dopuszczalnym prądem impulsowym układu.

    Przeciążenia elektryczne układów scalonych - część 2


    Poniższe równania pokazują sposób wyznaczania opisywanej prostej, co pozwoli nam na wyznaczenie maksymalnego napięcia które będzie na linii zasilającej, zależnie od prądu płynącego przez transil. Równania od (1) do (3) pokazują jak wyznaczono równanie prostej, a także w jawny sposób wyprowadzenie nachylenia i wyrazu wolnego tej prostej.

    Przeciążenia elektryczne układów scalonych - część 2


    4. Oceń jaki jest największy prąd mogący płynąć przez transil.

    Ocena maksymalnego prądu transila podczas przepięcie pozwala na wyznaczenie napięcia jakie będzie w takiej sytuacji obserwowane na liniach zasilających. Docelowym zadaniem jest ograniczenie napięcia do poziomu bezpiecznego (czyli zasadniczo poniżej maksymalnych dopuszczalnych wartości z karty katalogowej układu który chroniony jest transilem). Aby ocenić jakie napięcie będzie na liniach zasilających podczas przepięcia konieczna jest wiedza na temat prądu przepięcia. Spodziewany prąd przepięcia zależny jest od konkretnej aplikacji. Jeśli Zasilacz urządzenia podłączony jest obciążeń indukcyjnych lub też układ znajduje się w silnym polu elektromagnetycznym można spodziewać się wysokich prądów przepięć w systemie. Z kolei jeśli układ zasilający jest wysokiej jakości, a cały system jest ekranowany od wpływów zewnętrznych, prądy przepięć powinny być niskie. Szacowanie wartości tego prądu wymaga pewnego inżynierskiego doświadczenia i zależne jest od tego jak powściągliwi jesteśmy. W naszym przykładzie wybierzmy prąd równy 2 A, a korzystając z równania na prostą wyznaczamy maksymalne napięcie w systemie, które dla tego prądu równe będzie 23,14 V (patrz równanie (4)).

    Przeciążenia elektryczne układów scalonych - część 2


    5. Porównanie maksymalnego napięcia przy przepięciu z maksymalnym dopuszczalnym napięciem zasilania. Maksymalne dopuszczalne napięcie które nie uszkodzi wzmacniacza w naszym przykładzie to ±20 V, co odczytać możemy z jednej z tabel. Maksymalne napięcie przy przepięciu, jak obliczyliśmy powyżej, wyniesie 23,14 V przy prądzie przepięcia równym 2 A. W idealnym przypadku napięcie przy przepięciu powinno być niewiększe niż maksymalne dopuszczalne napięcie zasilania układu zabezpieczanego. Poniżej wyszczególniono trzy możliwości z których można skorzystać aby poprawić działanie systemu zabezpieczającego:

    a. Użyć niższego nominalnego napięcia zasilania. W opisywanym przypadku układ zasilany jest napięciem symetrycznym ±18 V, co wymusza Vr transila na 18 V. Maksymalne dopuszczalne napięcie zasilania to z kolei ±20 V, co daje zaledwie 2 V różnicy. Jeśli użyjemy niższego napięcia zasilania, na przykład ±15 V, wtedy margines będzie szerszy - 5 V, a to umożliwi nam łatwiejsze znalezienie odpowiedniego transila, gdyż poszerzy zakres układów z których możemy skorzystać.

    b. Poszukać lepszego transila. Niektóre układy zabezpieczające mogą być lepiej dostosowane do konkretnej aplikacji niż inne. W tym przykładzie wybraliśmy układ o mocy maksymalnej 400 W, gdybyśmy wybrali układ o większej mocy rozpraszania otrzymalibyśmy mniejsze napięcie przy przepięciu. W przypadku wykorzystania transila z pierwszej tabeli o mocy 5000 W napięcie podczas przepięcia ograniczyłoby się do 22,59 V. Oczywiście nigdy nie znajdziemy transila idealnego, gdyż są to ukłądu jak najbardziej rzeczywiste i rządzą nimi prawa fizyki, uniemożliwiające wykonanie takiego układu.

    c. Wykorzystaj ten transil który dobrałeś, nawet pomimo tego że napięcie może lekko przekroczyć maksymalne dopuszczalne dla zabezpieczanych układów. Na pierwszy rzut oka wydaje się że przekraczanie maksymalnych napięć to kiepski pomysł, jednakże z drugiej strony jakiekolwiek, nawet kiepskie, zabezpieczenie jest lepsze niż żadne. W wielu wypadkach nie ma szukać transili które będą dokładnie dopasowane do parametrów zasilania układu i załączać będą się od razu po przekroczeniu maksymalnego napięcia zasilania układu. Pamiętać też trzeba o zachowaniu pewnego marginesu bezpieczeństwa i o tym iż wartość podana w karcie katalogowej także zawiera w sobie pewien margines.

    6. Rozważ koszty.

    W momencie gdy zawęziłeś swój wybór w powyższych krokach, kierując się cenę dokonaj wyboru układu który użyty zostanie w docelowym układzie.

    Źródło:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...t-3-electrical-overstress-in-a-nut-shell.aspx


    Fajne!