Ochrona przeciwprzepięciowa
| TechnikaZ przepięciami występującymi w systemach dystrybucji energii elektrycznej mieliśmy do czynienia już w czasach, gdy nie były jeszcze stosowane urządzenia półprzewodnikowe. Nie stanowiły one wtedy większego problemu, obecnie jednak, z uwagi na wrażliwość elementów półprzewodnikowych na przekraczanie dopuszczalnych parametrów, zabezpieczenia muszą być uwzględniane w projektach.
Jednym z największych zagrożeń dla współczesnych urządzeń półprzewodnikowych są wyładowania atmosferyczne. Chociaż prawdopodobieństwo wpływu takiego zjawiska na dane urządzenie jest statystycznie względnie małe, to jednak, jeśli już przypadek taki się zdarzy, skutek może być dość poważny. Wszystko zależy od ilości energii, jaką zostaną potraktowane półprzewodniki. Trzeba przy tym zaznaczyć, że jedne mają większą odporność na wylądowania elektrostatyczne, inne mniejszą, a ewentualne uszkodzenia mogą mieć charakter utajony lub katastrofalny. Przykładowo, niskonapięciowe tranzystory MOSFET ulegają uszkodzeniu już przy 10 woltach powyżej napięcia dopuszczalnego. Niestety, do produkcji tych elementów jest stosowana technologia oparta na arsenku galu, co zwiększyło wprawdzie szybkość działania, ale zmniejszyło odporność na pochłanianie energii. W urządzeniach narażonych na występowanie przepięć, czy to wewnętrznych, czy zewnętrznych, muszą być stosowane dodatkowe, specjalne elementy zabezpieczające.
Burza
Wydaje się, że zmieniające się na naszych oczach warunki klimatyczne skutkują coraz częstszymi i coraz gwałtowniejszymi burzami. W każdej chwili notuje się na świecie około 1800 zjawisk tego typu, a częstość występowania piorunów jest szacowana na około 100 na sekundę. Należy liczyć się, że budowle o wysokości ponad 300 metrów, np. maszt radiowo- telewizyjny w Olsztynie (360 m), mogą być rażone piorunami nawet 20 razy w roku. W trakcie takiego zdarzenia generowane jest napięcie rzędu 600 MV, a prąd szczytowy osiąga natężenie ok. 20 kA. Jednemu błyskowi pioruna towarzyszy trzy do pięciu uderzeń występujących z 60-milisekundowymi odstępami, po których jeszcze przez 120 ms może płynąć ciągły prąd o natężeniu ok. 150 A. Zmierzony eksperymentalnie czas narastania prądu jest określany na ok. 200 ns, co daje szybkość narastania 1011 A/s. Wniosek z tego spostrzeżenia jest taki, że do projektowania i produkcji obwodów ochrony muszą być stosowane techniki obowiązujące dla częstotliwości radiowych. Pozytywną informacją jest natomiast fakt, że te krótkotrwałe fragmenty przenoszą względnie niedużą energię, a największym zagrożeniem jest prąd ciągły. Przykładowy model wyładowania atmosferycznego został przedstawiony na rysunku 1. W lokalizacjach położonych w samym punkcie uderzenia pioruna może występować kilka fragmentów z prądem ciągłym, podczas gdy w pewnej odległości może ich w ogóle nie być. Oczywiście zagrożenie nieodwracalnego zniszczenia urządzenia wówczas maleje, ale należy liczyć się z uszkodzeniami ukrytymi, które mogą ujawniać się dopiero w określonych sytuacjach.
Pewną miarą pozwalającą przewidywać skutki wyładowań atmosferycznych jest ilościowe określenie napięcia indukowanego podczas uderzenia pioruna w funkcji odległości od epicentrum. Przykład takiej zależności jest przedstawiony na rysunku 2.
Może wydawać się nieco zaskakujące, ale zakopywanie kabli nie jest najlepszą formą zabezpieczania energetycznych linii przesyłowych przed wyładowaniami, ponieważ ziemia jest niemal "przezroczysta" dla pól wypromieniowywanych przez pioruny. Okazuje się nawet, że linie podziemne są częściej narażane na uderzenia piorunami niż linie napowietrzne.
Przełączenie obciążeń w obwodach mocy
Indukcyjne stany nieustalone występują podczas włączania obciążeń biernych, takich jak silniki, cewki elektromagnetyczne, przekaźniki itp. Szybko zmieniające się pole magnetyczne indukuje napięcie na uzwojeniu obciążenia indukcyjnego. Jest ono wyrażone zależnością:
gdzie: L – indukcyjność wyrażona w henrach, di/dt – szybkość zmian w amperach na sekundę.
Stany nieustalone mogą występować zarówno podczas awarii zasilania, jak i normalnego przełączania obciążenia lub jego awarii. Cała energia związana z przerwaniem zasilania jest gromadzona w indukcyjności i jest równa:
gdzie: w – energia wyrażona w dżulach, i – prąd chwilowy [A} płynący w stanie przejściowym.
Zjawiska występujące podczas stanów przejściowych w chwilach przełączania można nazwać cichymi mordercami, gdyż powodują zniszczenie elementów półprzewodnikowych bez efektów zewnętrznych. Nie wydobywa się żaden dym, nie jest uszkadzana obudowa elementu, niszczona jest natomiast struktura półprzewodnikowa.
Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC – International Electro-technical Commission) opracowała specyfikację IEC 61000-4-4, w której są opisane zagrożenia wynikające z indukowania napięć przejściowych podczas przełączania o czasie trwania 50 nanosekund i amplitudzie od 2 do 4 kV, występujące w seriach o szerokości 300 milisekund. Nie jest to jednak jedyny dokument związany z takimi zjawiskami, można natomiast znaleźć w nich odniesienia do konkretnych aplikacji.
Wyładowania elektrostatyczne (ESD)
Wyładowania elektrostatyczne (Electrostatic Discharge – ESD) to szeroko rozumiane zagrożenia, z którymi mamy do czynienia podczas produkcji, transportu i obsługi wielu urządzeń półprzewodnikowych, szczególnie tych, które zawierają niezabezpieczone tranzystory MOSFET, półprzewodniki przeznaczone do pracy w zakresie częstotliwości mikrofalowych i bardzo szybkie układy logiczne charakteryzujące się czasami przełączania rzędu 2 ns lub mniej.
Elementy i urządzenia podatne na takie zagrożenia są rutynowo dostarczane w pojemnikach przewodzących prąd, dzięki czemu na całej powierzchni opakowania jest utrzymywany stały potencjał elektryczny. Niezbędne są ponadto również inne środki ostrożności, które powinny być zachowywane np. podczas produkcji. Są to opaski uziemiające dla pracowników mających kontakt z wrażliwymi elementami, uziemione groty lutownic, dmuchawy zjonizowanego powietrza itp. Należy ponadto pamiętać, że poprawny i bezpieczny montaż urządzenia nie daje gwarancji odporności na wyładowania elektrostatyczne. Urządzenia nadal mogą ulec uszkodzeniu na przykład wtedy, gdy gniazd sygnałowych czy nawet klawiatury dotkną osoby gromadzące na sobie ładunek, np. poruszając się po dywanie czy w inny sposób.
Przebieg elektryczny związany z wyładowaniem elektrostatycznym to impuls o czasie narastania ok. 1 ns i czasie trwania od 100 do 300 μs. Napięcie szczytowe przy suchej pogodzie może wynosić nawet 30 kV, chociaż typowe wartości to 0,5...5 kV. Na czas narastania ma wpływ źródło przekazujące ładunek elektrostatyczny. Najszybciej zjawisko to występuje, gdy wyładowanie pochodzi z końcówki jakiegoś narzędzia. Wyładowania pochodzące z palca i boku dłoni są nieco wolniejsze. Typowy człowiek mający pojemność elektryczną ciała 150 pF, który nagromadził ładunek 3 mikrokulombów, wytwarza potencjał elektryczny wynoszący do 20 kV (zgodnie z dobrze znanym wzorem: U=Q/C). Przekazywana w takim przypadku energia jest równa:
Dużą część mikroukładów ulega zniszczeniu przez impuls o napięciu 2500 V, a osoba przekazująca ładunek może nie odczuć skutku przeskoku iskry przy napięciu mniejszym niż 3500 V.
W praktyce często są stosowane specjalne elementy zabezpieczające, które powinny być umieszczane szczególnie w tych punktach układu, które są narażone na kontakt z człowiekiem, na przykład gniazda portów we/wy.
Inne przyczyny uszkodzeń
Przyczyn powstawania przepięć w układach elektronicznych jest znacznie więcej niż wyładowania atmosferyczne i elektrostatyczne. Niektóre z nich są bardzo prozaiczne, jak chociażby wykonanie omyłkowych połączeń linii sygnałowych do linii zasilających. Taki błąd jest bardzo prosty do wykrycia, znacznie trudniej natomiast zlokalizować usterkę wywołaną wpływem promieniowania mikrofalowego czy elektromagnetycznym oddziaływaniem plam słonecznych na elektronikę. W przeszłości notowano jednak usterki spowodowane takimi czynnikami.
Przebiegi przepięć
Przebieg podwójnie wykładniczy. Na rysunku 3 został przedstawiony jeden z typowych przebiegów napięciowych powodujących uszkodzenia w układach elektronicznych, który jest wymieniany w wielu normach i artykułach. Krzywa ma charakter podwójnie wykładniczy. Wszystkie parametry związane z opisywanymi zjawiskami zebrano w tabeli 1, często jednak krzywa z rysunku 3 jest opisywana tylko dwoma: czasem narastania i czasem trwania.
Fala zanikająca 100 kHz. Zanikający przebieg sinusoidalny o częstotliwości 100 kHz jest wykorzystywany do symulacji szybkich zdarzeń, takich jak sprzężone indukcyjnie prądy i napięcia wywołane uderzeniami pioruna lub przełączaniem baterii kondensatorów w systemach energetycznych. Przykładowy kształt takiego przebiegu został pokazany na rysunku 4. Jest on bardzo często przyczyną wielu zakłóceń w systemach, nie powodując jednak awarii. Obwody ochrony przeciwprzepięciowej nie zabezpieczają urządzeń przed przebiegami tego typu.
Szybkie elektryczne stany przejściowe. Do testowania odporności systemów na zakłócenia stosowane są szybkie przebiegi impulsowe (Electical Fast Transient – EFT). Przebieg tego typu nie odzwierciedla jednak działania określonego środowiska wywołującego te zakłócenia. Przebieg EFT składa się z ciągu impulsów podwójnie wykładniczych (jak te z rys. 3) charakteryzujących się krótkim czasem narastania (5 ns) i krótkim czasem trwania (50 ns). Przykładowy przebieg tego typu jest widoczny na rysunku 5.
Zastosowanie przebiegów przepięciowych
Badanie oddziaływania wyładowań atmosferycznych na urządzenia elektroniczne polega m.in. na wykonywaniu różnorodnych testów. Są w nich wykorzystywane sztucznie wymuszane przepięcia, które mogą być przykładane zarówno do linii zasilających, jak i sygnałowych. Stanowisko testowe składa się z badanego urządzenia oraz niezbędnej aparatury. Układ musi więc być zaprojektowany tak, aby zagwarantować pełne bezpieczeństwo przyrządów pomiarowych. Warunkiem koniecznym jest więc stosowanie odpowiednich układów ochronnych i ograniczników przepięciowych. Na rysunku 6 został przedstawiony przykładowy układ pomiarowy przeznaczony do badania odporności urządzenia elektronicznego na przepięcia. Liniami zaznaczono strefę oddziaływania przepięć.
Wyniki testów przepięciowych dzielą się na 4 kategorie:
- Prawidłowe działanie urządzenia badanego podczas całej procedury testowej.
- Przerwanie działania urządzenia po wygenerowaniu przepięcia i powrót do poprawnej pracy po zaniku przepięcia bez udziału operatora.
- Przerwanie działania urządzenia po wygenerowaniu przepięcia i powrót do normalnej pracy po interwencji operatora.
- Fizyczne, nieodwracalne uszkodzenie urządzenia po wygenerowaniu przepięcia.
Zastosowanie przebiegów ESD
Najczęściej stosowanymi normami w odniesieniu do badań ESD są IEC 61000-4-2 dla szerokiej gamy urządzeń komercyjnych i przemysłowych oraz ISO 10605 dla sprzętu motoryzacyjnego. Kształt przebiegu prądowego używanego do pomiarów odporności na zakłócenia elektrostatyczne został przedstawiony na rysunku 7. Można w nim wyróżnić początkowy skok prądu o czasie narastania poniżej 1 nanosekundy i znacznie dłuższy ogon. Normy IEC 61000-4-2 i ISO 10605 opisujące wyładowania kontaktowe określają taki sam nominalny prąd szczytowy równy 3,75 A/kV i czas narastania od 0,7 ns do 1 ns. W normie IEC ogon prądowy zaczyna się od natężenia prądu wynoszącego około połowy prądu szczytowego z czasem zaniku około 50 ns. W normie motoryzacyjnej początkowy prąd ogona wynosi około jednej szóstej prądu ogona normy IEC, ale czas zaniku wynosi 300 ns albo 660 ns, w zależności od warunków testowych.
Wymuszenie elektrostatyczne jest przykładane do badanego urządzenia za pomocą ręcznego źródła impulsów często nazywanego pistoletem ESD. Konfiguracja stanowiska pomiarowego jest przedstawiona na rysunku 8. Drewniany stół, na którym jest umieszczona aparatura, jest ustawiony na metalowej płaszczyźnie uziemiającej. Na blacie stołu jest rozłożona metalowa pozioma płaszczyzna sprzęgająca (HCP) połączona z uziemieniem za pośrednictwem rezystorów 470 kW połączonych szeregowo. Na płaszczyznę sprzęgającą jest nałożony izolator. Kabel uziemiający pistolet ESD jest dołączony do płaszczyzny uziemienia. Urządzenie badane jest na czas testu umieszczone na stole.
Wymuszenie ESD jest doprowadzane do badanego urządzenia bezpośrednio lub pośrednio. Testy bezpośrednie przeprowadza się z wyładowaniem kontaktowym do powierzchni przewodzących, a w testach pośrednich wyładowanie jest kierowane z powietrza do powierzchni izolacyjnych. W teście bezpośrednim ostra końcówka pistoletu jest przykładana do powierzchni przewodzącej, pistolet jest ładowany do napięcia testowego, a impuls wyładowania jest wyzwalany przekaźnikiem pistoletu. W wyładowaniu z powietrza pistolet jest wyposażany w zaokrągloną końcówkę, która jest ładowana wraz z kondensatorem pistoletu do napięcia testowego. Pistolet jest następnie zbliżany do urządzenia badanego. Wyładowanie następuje po przebiciu powietrza.
Wyładowanie pośrednie to wyładowanie kontaktowe do poziomej płaszczyzny sprzęgającej HCP lub do pionowej płaszczyzny sprzęgającej umieszczonej blisko urządzenia badanego. W ten sposób są symulowane zakłócenia, które mogą być wywołane przez impulsy elektromagnetyczne w obiektach znajdujących się w pobliżu testowanego urządzenia. Podobnie, chociaż z pewnymi różnicami, testowane są urządzenia objęte normą motoryzacyjną ISO 10605.
Ochrona podstawowa i wtórna
Układy zabezpieczeń przeciwprzepięciowych można podzielić na pierwotne i wtórne. Nieco uogólniając, można powiedzieć, że obwody pierwotne to te, które są umieszczane bliżej źródła przepięcia, obwody wtórne natomiast znajdują się jak najbliżej elementów zabezpieczanych. Przykład ochrony budynku przed wyładowaniami atmosferycznymi i innymi przepięciami zewnętrznymi przedstawiono na rysunku 9. Zastosowano tu pierwotny oraz wtórny obwód zabezpieczający. Zadaniem obwodu pierwotnego jest przede wszystkim zabezpieczenie przed wyładowaniem atmosferycznym, którego skutkiem mógłby być pożar lub porażenie prądem wywołanym uderzeniem pioruna. Niestety, obwody ochronne przenoszące duże prądy mają zwykle dość długie czasy włączania, a napięcie wyzwalające jest zbyt wysokie do zabezpieczenia układów o dużej wrażliwości na przepięcia. Zewnętrzny element ochronny nie zabezpieczy również urządzenia przed przepięciem wygenerowanym wewnątrz budynku. Z tego powodu st osowany jest zwykle wtórny układ ochronny zlokalizowany wewnątrz budynku w pobliżu układu zabezpieczanego. Możliwa jest w takim przypadku optymalizacja układu ochronnego pod kątem wymagań układu chronionego. Dodatkową korzyścią takiego rozwiązania jest to, że spadki napięć między pierwotnym a wtórnym obwodem zabezpieczającym, czy to pasożytnicze, czy celowe, mogą ułatwiać włączanie zabezpieczenia pierwotnego, jeśli tylko zabezpieczenie wtórne zacznie przewodzić prąd. Czasami jest stosowany dodatkowy poziom zabezpieczenia w postaci ogranicznika prądu płynącego między obwodem pierwotnym a wtórnym.
Klasyfikacja urządzeń zabezpieczających
Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej generalnie dzielą się na jedno- i dwukierunkowe. Można również wyróżnić ograniczniki prądu lub napięcia. Dodatkowo w ogranicznikach prądowych wyróżniamy urządzenia o działaniu jednorazowym lub urządzenia resetowalne.
Jednokierunkowe i dwukierunkowe układy zabezpieczające. Wymagania dotyczące ochrony węzłów elektrycznych, w których występują tylko napięcia dodatnie lub ujemne, różnią się od węzłów, w których napięcia przechodzą przez poziom 0 V. Na rysunku 10 został przedstawiony układ jednokierunkowego i dwukierunkowego ogranicznika napięć przejściowych (Transient Voltage Suppressors – TVS). Charakterystyka prądowo-napięciowa układu jednokierunkowego jest podobna do charakterystyki zwykłej diody. Zastosowanie takiego układu w obwodzie z rysunku 10 spowoduje, że napięcie sygnału nie zostanie zniekształcone, jeśli napięcie to pozostanie w granicach między 0 V a napięciem przebicia wstecznego TVS. Jednokierunkowy TVS chroni więc układ przed ujemnymi napięciami podawanymi do wejścia, co wynika z zakresu charakterystyki dla polaryzacji przewodzenia. Dla dodatnich napięć wejściowych układ ochronny zaczyna działać dopiero po przekroczeniu wstecznego napięcia przebicia. Możliwe jest również odwrotna polaryzacja układu zabezpieczającego, co będzie skutkowało również zmianą polaryzacji napięcia wejściowego.
Dwukierunkowy układ ochronny zachowuje się jak dwie diody połączone równolegle z przeciwnymi polaryzacjami. W tym przypadku napięcie wejściowe może mieścić się w granicach między ujemną wartością napięcia przebicia a wartością dodatnią.
Napięciowe i prądowe urządzenia ochronne. Istnieje jeszcze jeden rodzaj klasyfikacji urządzeń zabezpieczających TVS. Są to urządzenia clamp i crowbar. W urządzeniach typu clamp napięcie po wystąpieniu przepięcia jest ograniczane do określonej wartości. Urządzenia crowbar próbują w takiej sytuacji wywołać zwarcie. Do ich realizacji mogą być stosowane np. tyrystory zdolne do przewodzenia dużych prądów bez uszkodzenia własnej struktury.
Wybór metody ochrony
Przy wyborze metod ochrony jest kilka kwestii, które należy rozważyć. Rozważmy typowy obwód przedstawiony na rysunku 11. Do wejścia układu scalonego jest dołączona linia sygnałowa, która jest wprowadzona z niezabezpieczonego środowiska elektrycznego. Jest więc ona narażona na różne przepięcia zewnętrzne, których poziomy znacznie przekraczają dopuszczalne wartości dla wejść układu scalonego. Konieczne jest stosowanie obwodu zapewniającego utrzymanie bezpiecznego napięcia na wejściu układu scalonego. Może on na przykład bocznikować wejście w bezpiecznej od niego odległości. Wybór obwodu zabezpieczającego powinien być dokonany z uwzględnieniem natury chronionego elementu oraz natury zagrożeń. Zakres bezpiecznego napięcia wejściowego oraz zakres niebezpieczny pewnego układu został pokazany na rysunku 12. Widoczne są na nim charakterystyki prądowo-napięciowe dwóch elementów zabezpieczających typu clamp i crowbar. Napięcie wyznaczające początek strefy zagrożenia zwykle nie jest ostro zdefiniowane. W zakresie normalnej pracy rezystancje obu typów elementów zabezpieczających są wysokie, nie wpływając na sygnał wejściowy. Wydaje się, że zabezpieczenie napięciowe V clamp powinno działać prawidłowo i spełniać oczekiwania, ponieważ gdy stosuje się ten rodzaj zabezpieczenia, napięcie nigdy nie wejdzie w obszar uszkodzenia. Zabezpieczenie clamp może również bezpiecznie chronić układ, ale tylko wtedy, gdy przepięcie nie będzie trwało zbyt długo. Taki układ ochronny musi ponadto cechować się wystarczająco szybką reakcją.
Jeśli chodzi o rezystancję zabezpieczenia, to jak powinna być ona niska, aby napięcie wyładowania nie przekroczyło obszaru niebezpiecznego, zależy od tego, jak duży prąd popłynie w wyniku wyładowania. Dlatego konieczna jest znajomość jego natury. Można do tego skorzystać z definicji stosowanych w standardowych testach przemysłowych dotyczących odporności urządzeń na przepięcia zewnętrzne. Są w nich określone zarówno przebiegi prądowe, jak i napięciowe, które musi wytrzymać urządzenie testowane w danym środowisku. Przykładowo: załóżmy, że urządzenie musi wytrzymać przeciążenie prądowe 20 A. Przyjmijmy, że urządzenie chronione pracuje normalnie przy napięciu wejściowym od 0 V do 3,6 V, zaś uszkodzenie następuje po przekroczeniu napięcia 8 V. Obwód ochronny włącza się przy napięciu 5 V, a więc zachowuje bezpieczny margines od napięcia nominalnego. Może też przenosić prąd 20 A przy napięciu niepowodującym uszkodzenia układu zabezpieczanego. Charakterystyka prądowo-napięciowa takiego układu została przedstawiona na rysunku 13. Układ powinien bardzo dobrze nadawać się do zabezpieczeń przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
Omówione wyżej czynniki nie są jedynymi, które powinny być brane pod uwagę przy wyborze elementów zabezpieczających. Zabezpieczanie interfejsów, takich jak linie telefoniczne czy inne kablowe systemy transmisji danych, w których występują linie różnicowe, wymagają dokładniejszego przemyślenia. Zwykle w takich urządzeniach występują zabezpieczenia podstawowe i dodatkowe. Ważniejszym parametrem od rezystancji elementu zabezpieczającego może być jego pojemność. Dodatkowe kwestie do rozważenia to wielkość elementu, umieszczenie go na PCB i koszt.
Jak wiemy, zabezpieczenie nie może uaktywniać się w zakresie normalnej pracy urządzenia. Ważne jest ponadto, aby pojemność elementu zabezpieczającego nie degradowała impulsowego sygnału przesyłanego interfejsem przy zachowaniu niskiej rezystancji w stanie włączonym, pozwalającej utrzymać napięcie chronionego węzła poniżej niebezpiecznego obszaru dla obwodu chronionego.
W praktyce stosowanych jest wiele elementów elektronicznych pełniących funkcję ochronną. Porównanie parametrów poszczególnych rozwiązań zostało zestawione w tabeli 2.
Przykłady zabezpieczeń
Zabezpieczenie pary różnicowej. W interfejsie zawierającym sygnał różnicowy (rys. 14) możemy spodziewać się przepięcia dwojakiego rodzaju. Pierwsze może wystąpić między linią dodatnią a masą lub między linią ujemną a masą, drugie może wystąpić bezpośrednio między linią dodatnią i ujemną. Opcje zabezpieczeń dla takiego układu przedstawiono na rysunku 15. Zaletą rozwiązania z rysunku 15a jest zastosowanie tylko dwóch elementów zabezpieczających. Napięcie między liniami P i N może być dwukrotnie wyższe niż między ziemią a punktem P lub punktem N, co niestety jest wadą tej konfiguracji. Wadę tę usunięto w układzie z rysunku 15b przez dodanie elementu zabezpieczającego włączonego bezpośrednio między linię P i N. Dla szybkich linii przesyłowych jest to jednak problem, gdyż każda linia sygnałowa jest obciążana pojemnością dwóch zamiast jednego elementu zabezpieczającego. Z kolei w układzie z rysunku 15c została zredukowana pojemność obciążenia linii przez dodanie szeregowego elementu zabezpieczającego. W tej konfiguracji napięcie włączania elementów zabezpieczających powinno być zmniejszone w porównaniu z elementami zastosowanymi w układzie z rysunku 15a i 15b.
Zabezpieczenie linii USB. Uniwersalna magistrala szeregowa USB to obecnie chyba najbardziej popularny interfejs używany do połączeń komputerów i wszelkiego rodzaju urządzeń peryferyjnych. Interfejs zawiera 4 przewody – linię zasilająca, linię uziemiającą i dwuprzewodową różnicową linię danych (rys. 16a). Konstrukcja interfejsu została opracowana w zasadzie wyłącznie do połączeń lokalnych. Długość kabla nie powinna być większa od 5 metrów. W założeniu było stosowanie interfejsu wyłącznie w pomieszczeniach, a więc nie jest konieczne stosowanie zabezpieczeń przed przepięciami wywołanymi wyładowaniami atmosferycznymi. Problemem są natomiast wyładowania elektrostatyczne (ESD). Może dochodzić do sytuacji, w których na dwóch łączonych urządzeniach występuje różny ładunek elektrostatyczny i w chwili łączenia następuje ich ładowanie/ rozładowanie. Zjawisko to jest nazywane Cable Discharge Event (CDE). Konieczne jest zatem stosowanie ochrony elektrostatycznej portów USB.
Układ ochrony portu USB musi uwzględniać napięcie występujące na liniach zasilających (VCC – GND) równe 5 V. Pojemność elementu zabezpieczającego dla interfejsu USB 2.0 o szybkości transmisji 480 Mb/s nie może być większa niż kilka pikofaradów. Przykładowe zabezpieczenie można zrealizować tak, jak to przedstawiono na rysunku 16b. Najprostszym rozwiązaniem jest dołączenie linii D+ oraz D– do linii uziemiającej za pośrednictwem elementów TVS o niskiej pojemności. Napięcie aktywacji zabezpieczenia musi być wyższe o 3,6 V od maksymalnego poziomu dla stanu wysokiego, a elementy zabezpieczające muszą tolerować sygnały w zakresie od –1 V do +4,6 V. Niezależny element jest stosowany do zabezpieczenia linii VCC względem linii uziemienia.
Port USB może być też zabezpieczany nieco inną metodą, która zastała przedstawiona na rysunku 16c. Każda z linii sygnałowych jest połączona diodami zarówno z linią VCC, jak i GND. Diody te są spolaryzowane zaporowo, jeśli tylko napięcia na liniach danych nie przekraczają potencjałów linii VCC i GND. W sytuacji, gdy napięcie na linii danych wzrośnie powyżej napięcia VCC lub zmaleje poniżej VCC, niska rezystancja diody utworzy ścieżkę przepływu prądu do linii VCC lub GND. Linie zasilające są zabezpieczane przed przepięciem za pomocą diody Zenera D5. Jej napięcie wsteczne musi być wyższe od 6 V, aby uniknąć włączania się jej podczas normalnej pracy układu.
Przedstawiony na rysunku 16c układ zabezpieczający ma jeszcze jedną dodatkową zaletę. Pojemność diody wzrasta wraz ze spadkiem napięcia przebicia. Stosowanie niskonapięciowych diod Zenera jest zatem ograniczone w przypadku szybkich linii danych. W układzie z rysunku 16c dioda Zenera znajduje się tylko pomiędzy liniami VCC i GND, dla których pojemność diody nie ma znaczenia. Działanie diod D1... D4 jest istotne tylko przy polaryzacjach w kierunku przewodzenia, dla których mają niską rezystancję. Diody te mogą więc mieć wysokie napięcie wsteczne, co odpowiada małej pojemności. Chociaż omawiany układ może być realizowany z elementów dyskretnych, często są stosowane wersje scalone, zawierające komplet diod w jednej obudowie.
Elementem używanym w układach ochronnych może być na przykład dioda ESD9L5.0ST5G charakteryzująca się pojemnością 0,5 pF i czasem reakcji poniżej 1,0 ns. Jest ona produkowana w malutkich obudowach SOD-923 przez ON Semiconductor. Dioda została specjalnie zaprojektowana do układów ochrony ESD dla interfejsów takich jak USB, a także obwodów antenowych.
Jarosław Doliński
