Sposoby ochrony urządzeń przed przeciążeniami elektrycznymi

Termin EOS (Electrical Overstress) opisuje uszkodzenie układu elektronicznego wywołane znacznym wzrostem temperatury spowodowanym przepływem prądu lub przyłożeniem napięcia o wartości znacznie przekraczającej dopuszczalne przez producenta normy. Uszkodzenie takie może być wewnętrzne - gdy zniszczeniu ulega wewnętrzna struktura układu, jak również zewnętrzne - zniszczenia lub odkształcenia widoczne są także na obudowie i wyprowadzeniach układu.

Różnice między EOS a ESD

Rys. 1. Uszkodzenia zewnętrzne wywołane zjawiskami EOS (a) i uszkodzenia wewnętrznej struktury układu wywołane zjawiskami EOS to m.in. nadtopienie warstwy metalizacji czy przerwanie połączeń wewnętrznych (b)

Termin EOS kojarzony jest często ze zjawiskiem ESD (Electrostatic Discharge), czyli wyładowaniem elektrostatycznym, choć między tymi dwoma typami zdarzeń istnieje pewna różnica. Zdarzenia ESD charakteryzują się bardzo krótkim czasem trwania, istnieją również dobrze określone modele tego typu sygnałów (rysunek 2 przedstawia jeden z nich, czyli HBM - Human Body Model). Wyładowanie elektrostatyczne może być sygnałem o bardzo wysokim napięciu, przekraczającym 1 kV.

Termin EOS jest znacznie pojemniejszy i może odnosić się do sygnałów różnego typu (również ESD może zostać uznane za jeden z przykładów EOS). Jak przedstawiono na rysunku 3, sygnały EOS są zazwyczaj znacznie dłuższe niż ESD (mają czas trwania rzędu milisekund lub nawet sekund), charakteryzują się jednak niższym poziomem napięcia. Ponadto zdarzenia ESD występują zazwyczaj wtedy, gdy urządzenie nie jest podłączone do zasilania. Ich skutkiem jest najczęściej uszkodzenie warstwy epitaksjalnej półprzewodnika.

Zdarzenia EOS mają zaś miejsce głównie w trakcie normalnej pracy urządzenia, zaś powstałe uszkodzenia, jak wspomniano, związane są z przegrzaniem określonego obszaru układu. Mogą trwać znacznie dłużej niż ESD - dopóty, dopóki nie zaniknie przyczyna je powodująca. EOS może zostać wywołane jednorazowo przez losową przyczynę, może być również zdarzeniem cyklicznym, występującym ze stałą lub zmienną częstotliwością. Podstawowe różnice między zdarzeniami ESD i EOS przedstawiono w tabeli 1.

Skutki EOS

Tabela 1. Podstawowe różnice między zjawiskami EOS i ESD

Typowe objawy uszkodzeń wywołanych zdarzeniem EOS to wzrost wartości prądu zasilania pobieranego przez układ, spadek rezystancji między pinami zasilania a masy, zwarcie linii zasilania i masy oraz błędne zachowanie całego układu. Przykłady uszkodzeń zewnętrznej struktury układu wywołanych EOS przedstawiono na rysunku 1a.

W niektórych przypadkach negatywne skutki EOS zaobserwować można podczas wizualnej inspekcji układu, na podstawie uszkodzeń jego obudowy. Tego typu przykłady zewnętrznych uszkodzeń pokazano na rysunku 1b - mogą one przybrać formę przebarwień, wybrzuszeń lub dziur w obudowie, jak również nadtopionych wyprowadzeń układu.

Przyczyny EOS

Rys. 2. Przebieg zdarzenia ESD określony jako Human Body Model, czyli wyładowanie elektrostatyczne powstające, gdy człowiek dotyka urządzenia elektronicznego

Jednymi z najczęstszych przyczyn przeciążenia elektrycznego są przepięcia na liniach zasilania oraz skoki napięcia, wywołane m.in. podłączaniem do układu dodatkowych urządzeń. Powstawaniu EOS sprzyjać może również nieprawidłowo zaprojektowany obwód drukowany, mający np. niewystarczającą powierzchnię masy.

W przypadku urządzeń pracujących w wymagającym środowisku elektromagnetycznym, czynnikiem decydującym o pojawianiu się EOS może być stosowanie niewystarczającego ekranowania. Kolejną grupę zagrożeń stanowią niewłaściwe działania użytkownika. Do najczęstszych tego typu błędów należy nieprawidłowe podłączenie wejść oraz wyjść układu, w szczególności linii zasilania.

Ochrona przed skutkami EOS

Rys. 3. Typowy przebieg zdarzenia EOS

Jednym z podstawowych działań prowadzących do zmniejszenia prawdopodobieństwa wystąpienia zjawiska EOS jest filtracja zasilania. Stosowanie kondensatorów odsprzęgających pozwala odseparować zakłócenia występujące na liniach zasilania. Czynnikiem sprzyjającym obniżaniu poziomu zakłóceń w układzie jest również niska rezystancja ścieżek zasilania oraz masy (rezystancja maleje wraz z szerokością tych ścieżek).

Wspomniane działania pozwalają zabezpieczyć układ przed negatywnymi skutkami chwilowych zakłóceń na liniach zasilania, nie zapewniają jednak ochrony przed innymi niebezpieczeństwami - napięciem wstecznym, przepięciem czy zwarciem. Poniżej przedstawione zostaną dodatkowe rozwiązania umożliwiające ochronę układu przed negatywnymi skutkami zdarzeń EOS.

Szeregowe połączenie diody

Rys. 4. Dioda włączona szeregowo w obwód zasilania

Jednym z prostszych sposobów zapewnienia ochrony układu jest szeregowe włączenie w obwód zasilania diody prostowniczej (rys. 4). Główną zaletą tego rozwiązania jest jego niski koszt - zarówno pod względem ceny elementów, jak i ilości dodatkowego miejsca zajmowanego na płytce drukowanej.

Szeregowo włączona dioda zapewnia ochronę przed napięciem wstecznym oraz przepięciem do określonej wartości. Maksymalna wartość napięcia, dla którego dioda zapewnia skuteczną ochronę, jest równa jej maksymalnemu dopuszczalnemu napięciu wstecznemu. Jeśli napięcie zasilania przekroczy tę wartość, wystąpi przebicie złącza p-n i gwałtownie wzrośnie prąd zasilania.

Główną wadą tego rozwiązania jest spowodowany szeregowym podłączeniem diody spadek wartości napięcia zasilania na wejściu układu. Napięcie na wejściu układu maleje o wartość określoną jako spadek napięcia diody w kierunku przewodzenia - dla diod krzemowych parametr ten wynosi zazwyczaj ok. 0,7 V. Tego typu zabezpieczenie nie chroni również przed skutkami zwarcia oraz przepięcia, czyli znacznego wzrostu wartości natężenia prądu (dla zwarcia) oraz napięcia zasilania (w przypadku przepięcia).

Mostek prostowniczy

Rys. 5. Mostek prostowniczy nie tylko chroni przed odwrotną polaryzacją, ale również umożliwia pracę w takich warunkach

Mostek prostowniczy to popularny układ składający się z czterech diod (rys. 5). Jego dużą zaletą jest to, że nie tylko chroni przed napięciem wstecznym, ale również umożliwia pracę w takich warunkach, ponieważ, tak jak wskazuje jego nazwa, jest układem prostowniczym (przetwornikiem napięcia przemiennego na stałe). Maksymalna wartość napięcia zasilania, dla której układ zapewnia skuteczną ochronę, jest równa dwukrotności maksymalnego dopuszczalnego napięcia wstecznego pojedynczej diody, jest zatem dwukrotnie większa niż w poprzednim przypadku.

Rozwiązanie to nie jest jednak wolne od wad. Nie chroni przed skutkami zwarcia oraz przepięcia (powyżej pewnej wartości napięcia zasilania), a także powoduje dwukrotnie większy spadek napięcia zasilania na wejściu układu niż w przypadku pojedynczej diody. Dodatkowo jest droższe i zajmuje więcej miejsca na powierzchni płytki drukowanej.

Dioda Zenera oraz bezpiecznik resetowalny

Rys. 6. Resetowalny bezpiecznik zapewnia ochronę przed nadmiernym natężeniem prądu, zaś dioda Zenera przed nagłym wzrostem napięcia zasilania

Kolejny sposobem ochrony układów elektronicznych przed skutkami EOS jest połączenie diody Zenera oraz resetowalnego bezpiecznika (rys. 6). Szeregowo włączony bezpiecznik ogranicza wartość prądu zasilania, zaś równolegle podłączona dioda chroni przed nagłym wzrostem napięcia.

Bezpiecznik rozłącza obwód w przypadku znacznego wzrostu prądu zasilania. Element ten działa na zasadzie zbliżonej do pozystora (termistor typu PTC - Positive Temperature Coeffi cient) - jego rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Typową zależność rezystancji bezpiecznika od temperatury przedstawiono na rysunku 7. Gdy temperatura elementu osiągnie określoną wartość progową, jego rezystancja gwałtownie rośnie, zaś po obniżeniu temperatury ponownie maleje.

Rys. 7. Charakterystyka resetowalnego bezpiecznika - rezystancja wzrasta gwałtownie po przekroczeniu określonej wartości temperatury

Tego typu zabezpieczenie działa następująco: gdy napięcie zasilania na wejściu układu przekroczy wartość napięcia przebicia diody Zenera, nastąpi nagły wzrost natężenia prądu płynącego przez diodę oraz bezpiecznik. Wywołany przepływem prądu wzrost temperatury bezpiecznika spowoduje rozłączenie układu (rezystancja tego elementu wzrośnie do znacznej wartości). Gdy napięcie zasilania powraca do wartości dopuszczalnych, natężenie prądu płynącego przez bezpiecznik maleje, spada jego temperatura i układ przechodzi z powrotem do normalnej pracy. Typowy cykl pracy układu z takim zabezpieczeniem przedstawiono na rysunku 8.

Główną zaletą tego rozwiązania jest możliwość zapewnienia ochrony przed zdarzeniami EOS każdego typu. W przypadku podłączenia napięcia wstecznego dioda Zenera zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia - spowoduje to wzrost natężenia prądu płynącego przez bezpiecznik i rozłączenie układu. Jeśli w którymś miejscu układu wystąpi zwarcie (gwałtownie wzrośnie natężenie prądu zasilania), bezpiecznik również rozłączy obwód. Ponadto tego typu zabezpieczenie wymaga jedynie dwóch dodatkowych elementów, co w ograniczonym stopniu zwiększa koszt oraz rozmiar całego urządzenia.

Wadą tego rozwiązania, tak jak w poprzednich przypadkach, jest spadek napięcia na szeregowo podłączonym elemencie (bezpieczniku). Początkowo niewielka nominalna rezystancja bezpiecznika rośnie wraz z temperaturą otoczenia oraz liczbą kolejnych resetów tego elementu. Spadek napięcia powodowany rezystancją bezpiecznika wzrasta proporcjonalnie do wartości natężenia prądu zasilania (U=IR).

Tego typu obwód zabezpieczający jest elementem silnie rozpraszającym ciepło, przez co nie może być umieszczany zbyt blisko innych układów elektronicznych - pojawia się zatem konieczność zwiększenia powierzchni płytki drukowanej.

Rys. 8. Cykl pracy układu zabezpieczającego składającego się z resetowalnego bezpiecznika oraz diody Zenera

Najważniejsze parametry bezpiecznika resetowalnego, które należy brać pod uwagę podczas wyboru układu, to maksymalna wartość natężenie prądu niepowodująca załączenia bezpiecznika I_HOLD oraz jego rezystancja szeregowa w normalnych warunkach. Wartość I_HOLD musi być nieznacznie większa od maksymalnej wartości prądu zasilania pobieranego przez urządzenie.

Rezystancja szeregowa powinna być możliwie najmniejsza, co pozwoli zminimalizować spadek wartości napięcia zasilania na tym elemencie. Wybierając diodę Zenera, należy tak dopasować jej wartość napięcia przebicia, by była ona nieznacznie większa od dopuszczalnej wartości napięcia zasilania urządzenia.

W ofercie niektórych producentów znaleźć można gotowe układy zabezpieczające tego typu, zawierające w swojej strukturze diodę Zenera oraz resetowalny bezpiecznik. Takie gotowe rozwiązania mogą ułatwić i przyspieszyć proces projektowania urządzenia, pozwolą również zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej.

Obwód oparty na tranzystorach MOSFET

Rys. 9. Diagram blokowy opisujący działanie układu zabezpieczającego opartego na tranzystorach MOSFET

Podstawową wadą wszystkich wymienionych rozwiązań był znaczny spadek napięcia na liniach zasilania powodowany przez elementy ochronne. Układ zabezpieczający oparty na tranzystorach MOSFET pozwala wyeliminować tę wadę, charakteryzuje się również (w przeciwieństwie do resetowalnego bezpiecznika) bardzo niskim poziomem rozpraszania energii cieplnej. Główne minusy tego rozwiązania to konieczność stosowania sześciu dodatkowych elementów oraz brak ochrony przed skutkami zwarcia, czyli jednego z częstych przyczyn EOS.

Na rysunku 9 przedstawiono diagram blokowy opisujący działanie układu zabezpieczającego opartego na tranzystorach MOSFET. Funkcję pierwszego bloku (ochrony przed napięciem wstecznym) pełni tranzystor MOSFET typu P normalnie otwarty (z kanałem wzbogacanym), który w przypadku odwrotnej polaryzacji wejścia układu pozostaje wyłączony. Następny blok, zabezpieczający przed zbyt wysokim napięciem, składa się z diody Zenera oraz kolejnego tranzystora MOSFET zarządzającego pracą przełącznika.

Cały układ zabezpieczający (rys. 10a-b) składa się z dwóch tranzystorów MOSFET typu P umieszczonych bezpośrednio na linii zasilania. Przedstawiony układ zapewnia ochronę przed napięciem wstecznym i przepięciem o wartości do 12 V (maksymalne dopuszczalne napięcie bramka-dren wykorzystanych tranzystorów). Napięcie odcięcia w przypadku układu z rysunku 10a wynosi 5,7 V, zaś w przypadku rysunku 10b 3,6 V.

Rys. 10. Obwód zabezpieczający MOSFET dla napięcia zasilania 5 V (a) i 3,3 V (b)

Działanie przedstawionego układu pokazane zostanie na przykładzie obwodu z rysunku 10b (dla napięcia zasilania 3,3 V). Gdy napięcie zasilania przekracza 1,8 V, tranzystor T4 włącza się. Równocześnie włączony pozostaje tranzystor T6, prawidłowe napięcie zasilania trafi a zatem na wyjście układu zabezpieczającego. Gdy napięcie zasilania przekroczy dozwolony maksymalny poziom określony m.in. napięciem przebicia diody Zenera, tranzystor T5 zostanie włączony, co spowoduje wyłączenie tranzystora T6.

Podanie na wejście układu napięcia wstecznego również nie będzie miało negatywnych skutków, ponieważ nie spowoduje włączenia tranzystora T4. Przedstawiony układ jest dwukierunkowy - w kierunku od wejścia do wyjścia zapewnia ochronę urządzenia, umożliwia również transmisję napięcia w drugą stronę, przez co pozwala na komunikację ze światem zewnętrznym.

Wybór odpowiedniego modelu tranzystora uwarunkowany jest trzema głównymi czynnikami: minimalnym napięciem wejściowym układu U_MIN, maksymalnym dopuszczalnym napięciem wejściowym, przed którym obwód powinien zabezpieczać U_MAX oraz dopuszczalną wartością spadku napięcia powodowaną przez obwód zabezpieczający. Napięcie progowe wybranego tranzystora MOSFET powinno być mniejsze od U_MIN, zaś maksymalne dopuszczalne napięcie bramka-dren U_DG powinno być większe od U_MAX. W celu uzyskania możliwie najmniejszej wartości spadku napięcia należy wybrać tranzystor charakteryzujący się jak najmniejszą rezystancją R_DS (rezystancja przewodzenia).

Wartość napięcia odcięcia (powodującego zadziałanie układu i odcięcie zewnętrznego napięcia) zależy od doboru diody Zenera oraz wartości rezystora. Jeśli napięcie wejściowe nie przekracza napięcia przebicia diody, przez rezystor R4 przepływa prąd o niewielkim natężeniu, napięcie U_DG tranzystora T5 jest zatem zbliżone do zera. Gdy napięcie wejściowe wzrasta do poziomu zbliżonego do napięcia przebicia, wzrasta także natężenie płynącego przez diodę prądu oraz napięcie U_DG.

Tabela 2. Porównanie przedstawionych metod ochrony przed EOS

Po przekroczeniu przez U_DG poziomu progowego (U_TH) tranzystor T5 włącza się, co powoduje wyłączenie T6 i odcięcie zasilania urządzenia. Napięcie odcięcia układu U_CUT-OFF może zostać określone następująco: U_CUT-OFF = U_Z + U_TH, gdzie U_Z to napięcie przebicia diody Zenera. Do określenia maksymalnej wartości rezystancji rezystora R4 konieczna jest znajomość charakterystyki prądowo-napięciowej diody, a konkretnie wartości natężenia prądu płynącego przez diodę przy napięciu U_Z. Dobrym rozwiązaniem może być także zastąpienie rezystora R4 rezystorem regulowanym, co pozwoli precyzyjnie dostroić obwód dla pożądanego napięcia odcięcia.

Podsumowanie

Krótkie porównanie wszystkich opisanych w tekście metod ochrony urządzeń przed skutkami EOS przedstawiono w tabeli 2. Każde z wymienionych rozwiązań ma swoje wady i zalety, które mogą decydować o jego zastosowaniu w konkretnej aplikacji. Wyższy poziom ochrony wiąże się zazwyczaj ze wzrostem kosztów spowodowanych zwiększeniem powierzchni płytki drukowanej oraz umieszczeniem w urządzeniu dodatkowych komponentów.

Damian Tomaszewski