Ochrona układów niskonapięciowych przed przeciążeniami

Przeciążenia elektryczne wywołują termiczne uszkodzenia układu elektronicznego, spowodowane przepływem prądu o nadmiernym natężeniu lub napięciem zasilania przekraczającym dopuszczalną dla układu wysokość. Tylko niektóre uszkodzenia pozostawiają widoczne z zewnątrz układu ślady (rys. 1), skutki pozostałych (rys. 2) mogą być widoczne jedynie wewnątrz.

Rys. 1. Skutki przeciążenia elektrycznego widoczne na zewnątrz obudowy: pęcherzyk lub przepalenie materiału

Zbyt duże natężenie prądu wywołuje zwykle prowadzące do uszkodzenia poprzez lokalne przegrzanie materiału. Przyczyna przeciążenia może być chwilowa i trwać tylko milisekundy albo może być długotrwała. Jest ono skutkiem zdarzenia pojedynczego albo periodycznie lub losowo powtarzalnego. Przeciążeniami elektrycznymi są także wyładowania elektrostatyczne (ESD). W tabeli 1 pokazano, jak różnią się energią i czasem trwania poszczególne narażenia.

Rys. 2. Widoczne od wewnątrz skutki przeciążenia elektrycznego

Typowymi przyczynami przeciążeń są przepływ zbyt dużego prądu zasilania, zbyt mała rezystancja pomiędzy doprowadzeniami zasilania i masy czy wadliwe działanie urządzenia. Często skutki uszkodzenia są widoczne w postaci pęcherzyka, dziurki, przepalenia, przebarwienia lub pęknięcia w jego obudowie. Zwykle są to uszkodzenia wewnętrzne, w postaci przepalenia lub stopienia połączeń.

Przyczyny przeciążeń

Tabela 1. Przeciążenia elektryczne i elektrostatyczne

Najczęstszym powodem są udary napięciowe w zasilaczu. Przepięcia lub przetężenia w trakcie przełączania wejść/wyjść czy impulsy napięciowe wywołane wewnętrznym lub zewnętrznym przełączaniem też mogą wywoływać stany nieustalone. Również wadliwe projektowanie, jak zbyt duża rezystancja ścieżek uziemiających, co zwiększa zaburzenia w płaszczyźnie uziemiającej, może przyczyniać się do powstania stanów nieustalonych.

Podobnie, źle ekranowane systemy, działające w zakłócającym środowisku, są podatne na zaburzenia elektromagnetyczne (EMI). Urządzenia osłabione przez ESD mogą być bardziej podatne na przeciążenia. Przyczyną mogą być także przerzuty, jeśli prąd nie jest ograniczany albo jeśli przyczyna trwa długo. Także nieprawidłowe użycie połączenia z we/wy przez użytkownika może wywołać stan nieustalony.

Ochrona przed PE w produkcie

Tabela 2. Porównanie metod ochrony

Idealnym sposobem chronienia jest czyste zasilanie i kontrolowanie wzrostu i spadku napięcia w trakcie włączania i wyłączania. Właściwe kondensatory odsprzęgające i niska rezystancja ścieżek zasilania i uziemiania na płytkach drukowanych zapewniają tłumienie zaburzeń w układzie. Nie chronią one jednak układów przed skutkami odwrócenia polaryzacji napięcia zasilania, przepięć i przetężeń. W tabeli 2 przedstawiono cztery rodzaje stosowanych zabezpieczeń.

Opcja 1 - szeregowa dioda w linii zasilania. Podstawowymi zaletami takiego zabezpieczenia są niski koszt i mała powierzchnia montażowa. Zabezpiecza przed odwróceniem napięcia zasilania do wielkości maksymalnego napięcia zwrotnego diody. Wadą tego rozwiązania jest wprowadzany przez diodę do obwodu zasilania spadek napięcia. Nie zabezpiecza ono przed przepięciami i przetężeniami.

Opcja 2 - czterodiodowy mostek prostowniczy. Nie tylko zabezpiecza on przed odwróceniem napięcia zasilania do podwójnego napięcia zwrotnego diod prostowniczych, ale również umożliwia zasilanie odwróconym napięciem. Jego wady są takie same, jak zabezpieczenia pojedynczą diodą.

Opcja 3 - zespół kasowalnego bezpiecznika z diodą Zenera. Zespół ten składa się z włączonego szeregowo bezpiecznika i równoległej diody Zenera. Element szeregowy ogranicza natężenie prądu, a element równoległy napięcie. Kasowalny bezpiecznik jest wykonany z przewodzącego polimeru, który po wzroście temperatury powyżej ustalonego progu przerywa połączenie, a po spadku natężenia prądu je przywraca (rys. 3).

Rys. 3. Rezystancja szeregowa bezpiecznika kasowalnego w funkcji temperatury

Gdy napięcie przekroczy próg Zenera, następuje gwałtowny wzrost natężenia prądu w diodzie, który nagrzewając bezpiecznik, znacznie zwiększa jego rezystancję, co przerywa przepływ prądu. Gdy napięcie powraca do normalnego poziomu, prąd w bezpieczniku maleje, temperatura opada i pierwotny stan obwodu zostaje przywrócony.

W przeciwnym przypadku przerwanie obwodu następuje ponownie. Rysunek 4 przedstawia przebiegi prądu i rezystancji w kasowalnym bezpieczniku w trakcie jego działania. W razie pojawienia się odwrotnej polaryzacji napięcia zasilania dioda Zenera zaczyna przewodzić od razu i bezpiecznik przerywa obwód w analogiczny sposób.

Zaletą tego układu jest ochrona obwodu przed wszystkimi rodzajami przeciążeń, przepięciem, odwróceniem polaryzacji, zwarciem i przetężeniem, za pomocą dwóch tylko elementów. Jego wadą jest spadek napięcia, zależny od natężenia pobieranego przez układ prądu i od liczby zadziałań, wskutek której rezystancja bezpiecznika z czasem wzrasta.

Rys. 4. Zmiany prądu i rezystancji bezpiecznika kasowalnego w funkcji czasu w trakcie przeciążenia

Dodatkową wadą tego rozwiązania jest znaczny wzrost temperatury uruchomionego bezpiecznika, do około 90°C. Nie powinien on więc być umieszczany zbyt blisko innych podzespołów, wymaga zatem zwiększonej powierzchni montażowej na płytce drukowanej. Element integrujący bezpiecznik kasowalny z diodą Zenera we wspólnej obudowie, zajmujący mniej miejsca na płytce, jest znany pod nazwą handlową Polyzen.

Dwoma głównymi parametrami kasowalnego bezpiecznika są dopuszczalne natężenie prądu oraz rezystancja. Natężenie prądu wyznacza poziom, poniżej którego bezpiecznik nie zadziała. Prąd pobierany przez chroniony układ musi być od tego progu nieco niższy. W celu minimalizacji spadku napięcia na bezpieczniku jego rezystancję należy wybrać możliwie najniższą. Napięcie Zenera diody ochronnej musi być nieco wyższe od maksymalnego napięcia zasilania układu.

Opcja 4 - zabezpieczenie z MOSFET-em. Wadą omówionych powyżej zabezpieczeń jest powstający na nich spadek napięcia i wydzielanie się w nich ciepła. Układ z MOSFET-em zapewnia skuteczną ochronę przy bardzo niskim spadku napięcia, nie generując przy tym ciepła.

Rys. 5. Schemat działania układu zabezpieczającego

Idealny układ chroniący przed przepięciami nie może dopuszczać do wzrostu lub odwrócenia napięcia zasilającego urządzenie oraz nie może wprowadzać żadnych zmian w jego działaniu, w tym nie obniżać napięcia zasilania. Przykładowo, układ scalony działający pod napięciem 1,71 do 5,5 V zostanie zniszczony, gdy napięcie przewyższy 6 V.

Układ zabezpieczający powinien dopuszczać napięcie w dopuszczalnym zakresie, bez dodatkowego spadku napięcia i odciąć zasilanie, gdy napięcie przekroczy 5,5 V. Schemat takiego działania przedstawia rysunek 5. Pierwszą częścią układu jest udoskonalony P-MOS T1, który nie przepuszcza napięcia o odwrotnej polaryzacji do następnego obwodu z diodą Zenera i P-MOS-em T2, sterującym wyłącznikiem PMOS T3.

Na rysunku 6 przedstawiono dwa warianty takiego układu dla napięcia 5 V (T1, D8, T2 i T3), z napięciem progowym 5,7 V oraz dla 3,3 V (T4, D9, T5 i T6) z napięciem progowym 3,6 V. W razie przekroczenia tych napięć, T2 (T5) przestanie przewodzić, chroniąc zasilane urządzenie. Pobór prądu prze te układy nie przekracza 6 mA.

Rys. 6. Schematy układów zabezpieczających 5 i 3,3 V

W układzie zabezpieczającym 3,3 V gdy napięcie wejściowe mieści się w granicach od 1,8 do 3,3 V, T4 przewodzi, ponieważ napięcie bramki jest niższe od napięcia drenu (w przeciwnym razie P-MOS zatyka się). Jeśli napięcie zasilania przekroczy 3,3 V, zaczyna przewodzić T5, co przy 3,6 V włącza T6, chroniąc urządzenie przed przepięciem. W razie pojawienia się odwrotnej polaryzacji napięcia zasilającego zostaje zablokowany T4.

Wybór układu zabezpieczającego z MOSFET-em wymaga określenia trzech parametrów: minimalnego przepuszczanego napięcia, maksymalnego dopuszczalnego napięcia i szeregowego dopuszczalnego spadku napięcia. Jeśli, na przykład, minimalne napięcie zasilania urządzenia wynosi 1,8 V, a maksymalne napięcie, przed którym urządzenie ma być chronione, 10 V, to poziom napięcia wejściowego wybranego P-MOS musi być mniejszy od 1,8 V, a maksymalne napięcie dren-bramka musi być wyższe od 10 V. Dla zminimalizowania szeregowego spadku napięcia rezystancja dren-źródło powinna być możliwie mała.

Rys. 7. Charakterystyki I = f(U) diod Zenera przy różnych rezystorach

Napięcie, powyżej którego urządzenie jest odcinane od zasilania, zależy od rezystora R4 i diody Zenera D9 (rys. 7). Gdy napięcie wejściowe przewyższy próg Zenera diody (U_Z), wzrasta napięcie na rezystorze R4. Gdy osiągnie poziom progu przewodzenia T5, zaczyna on przewodzić, podnosząc napięcie na rezystorze R5.

Skutkuje to zablokowaniem T6 i odcięciem chronionego przyrządu od zasilania. Zatem próg Zenera diody i próg przewodzenia MOSFET-a wyznaczają poziom odcinania napięcia zasilania U_ODC = U_Z + U_PRZ, a U_Z = U_ODC - U_PRZ. Jeśli U_ODC ma wynosić 5,6 V, a U_PRZ wynosi 1,8 V, to U_Z = 3,8 V. W praktyce wybiera się diodę o wyższym napięciu, 4 lub 4,3 V.

Dla wyznaczenia rezystancji R4 trzeba z charakterystyki diody odczytać natężenie prądu, przy którym jej napięcie wynosi 3,8 V. Dla 1 mA R4 = (5,6-3,8 V)/1 mA = 1,8 kΩ. Dobrym rozwiązaniem jest użycie potencjometru, co umożliwia dokładny dobór napięcia odcinania (KKP).