Защита входов цифровой электроники
Введение
В любом электронном устройстве есть такие элементы управления как кнопки, переключатели, датчики и т.д., которые находятся под контролем конечных пользователей. При определенных условиях входные сигналы с них могут представлять угрозу для устройства. Особенно это актуально для используемой в промышленности электроники, которая работает в цехах. Как правило, данные с элементов управления считывает центральный процессор (микроконтроллер, ПЛИС или другое устройство). В таких случаях крайне важно защитить входы процессора от угроз, сохраняя при этом полезный сигнал.
Суть проблемы
На заводе панель управления с кнопками может быть расположена далеко от центрального процессора. Длинные провода могут выступать в качестве индуктивности, что может вызвать всплески напряжения при нажатии кнопки. Эти всплески могут привести в негодность центральный процессор, что выведет из строя всю систему. На рис. 1 показана упрощенная схема этой ситуации.
Рис. 1 Упрощенная схема
Обычно микроконтроллеры имеет входное сопротивление порядка 20 МОм и работают с напряжениями в диапазоне от 1.2 до 5.0В. На рис. 2 приведён дополненный рис. 1.
Рис. 2 Входное сопротивление
На этом рисунке видна проблема незащищённости входа. Любое большое напряжение, появившееся в результате индукции, нажатия кнопки, ошибки пользователя или по другой причине и попавшее на вход микроконтроллера может вывести его и всю систему из строя. В связи с этим, необходимо защитить входы микроконтроллера. Для понимания деталей обратите внимание на рис. 3. Переключатель подключен к микроконтроллеру по соединительному проводу длиной 7 метров. Обратите внимание на подключение одного из контактов переключателя к GND и подтягивающий резистор на входе микроконтроллера. Когда переключатель разомкнут, на входе микроконтроллера находится высокий уровень сигнала, вызванный подтягивающим резистором.
Рис. 3 Схема подключения переключателя
При изменении положения переключателя напряжение идет по длинным проводам, что вызывает индукцию. Вследствие этого, на микроконтроллер попадает повышенное напряжение. Это показано на рис. 4. Обратите внимание на минимальное напряжение вызванное индукцией -5.88В. Это более чем достаточно, чтобы вызвать проблемы в электронной системе.
Рис. 4 Осциллограмма перепада напряжения
Теперь, когда мы поняли в чем проблема, можно приступить к её решению.
Защита входов
Важным аспектом входов микроконтроллера и большинства логики являются диоды используемые для защиты входа, которые были исключены из упрощенной модели на рис. 3. Обычно падение напряжения на них около 0.7В.
В идеальных условиях, это может защитить микроконтроллер. Но если напряжение достаточно велико, и подается на вход достаточно долго, оно может разрушить внутренние диоды, возможно замкнув их. Это приведёт к прямой связи входа и шины питания, и при следующем скачке напряжения может привести к поломке всех элементов подключенных к этой линии питания, что может привести к непредсказуемым последствиям.
Рис. 5 Полная схема
Даже если диоды не были пробиты, протекание большего тока и напряжения может привести к повреждению микроконтроллера, что также приведёт к непредсказуемым последствиям. Первый шаг для защиты входа — это ограничение тока.
Ограничение тока
Самый простой способ защиты — это токоограничивающий резистор (рис. 6). Сопротивление этого резистора таково, что падение напряжения на нем не влияет на напряжение на входе контроллера. Этот резистор и входной резистор микроконтроллера образуют делитель напряжения, следовательно, его значение может быть довольно большим. Для большинства входов можно использовать значения от 100 Ом и до 10 кОм. Я использовал резистор 1 кОм.
Рис. 6 Защита входа ограничением тока
Эта защита хорошо работает для коротких проводов. Рис. 7 показывает эффективность этой защиты. Минимальное напряжение с такой защитой составило -0,810 В.
Рис. 7 Эффективность защиты
Фильтрация
На рис. 6 выше показан простой ограничитель тока. При добавлении к данной схеме конденсатора (рис. 8) у нас получится ФНЧ (Фильтр Низких Частот), который обеспечит ещё более высокий уровень защиты.
Рис. 8 Использование ФНЧ
При использовании этой схемы следует внимательно отнестись к номиналам компонентов. Из-за предельных частотных характеристик схемы, значения резисторов и конденсаторов должно быть рассчитаны таким образом, чтобы микроконтроллер не пропустил ни одного сигнала. Для их расчета используйте следующую формулу:
Время нарастания сигнала = 2.2RC
Расчет значений R и C:
Определите максимальную входную частоту.
Выберите значение R. Используйте стандартное значение, например 1 кОм.
С помощью вышеприведенной формулы определите значение C.
Возможно значение С придётся немного изменить в ходе использования устройства.
На рис. 8, значения R и С 1 кОм и 0,01 мкФ, т.е. эта схема рассчитана на максимальную частоту 1 кГц. На рис. 9 показана эффективность этой схемы. Обратите внимание на более гладкие края. Это заслуга конденсатора.
Рис. 9 Эффективность RC фильтра
Также, RC фильтр обрезает ложные сигналы, которые могут давать неверные показания микроконтроллеру. К сожалению, при длинных проводах с этой схемой всё ещё могут быть скачки напряжения, что опасно для внутренних диодов.
Внешние диоды
Чтобы обезопасить внутренние диоды микроконтроллера, можно использовать внешние диоды Шоттки (рис.10.). Диоды Шоттки используются из-за того, что падение напряжения на них 0.2В, в отличие от падения 0.7В у внутренних диодов. Обратите внимание, что для защиты диодов Шоттки от перегрузки по току используется резистор. Поскольку эти диоды работают очень короткое время, резистора около 10 Ом хватит. Если ваши диоды Шоттки выдерживают кратковременные импульсы высокого тока, резистор можно упустить.
Рис. 10 Схема с внешними диодами
На рис. 11 показана эффективность этой схемы. Желтая линия – замеры на плюсе конденсатора, зелёная линия – замер между резистором 10 Ом и диодом Шоттки. Обратите внимание на отрицательный всплеск -0,650 В, что ниже напряжения падения встроенных диодов микроконтроллера.
Рис. 11 Результаты при использованием внешних защитных диодов
Другие идеи
В основном, другие идеи направлены на снятия сигнала с источника высокого напряжения (рис. 12).
Рис. 12 Схема для снятия показаний с повышенным напряжением
Диод служит для защиты от импульсов со значением меньше нуля. После него использован стабилитрон для стабилизации напряжения на входе, он также убирает необходимость использования подтягивающего резистора. Обратите внимание, что в данном случае, ограничительный резистор достаточно мал, чтобы обеспечить достаточный ток для стабилитрона. На рис. 13 показана эффективность этой схемы при подачи на вход 12В.
Рис. 13 Эффективность схемы при подачи на вход 12В
Заключение
При подключении к цифровым устройствам необходимо позаботится о защите. При использовании вышеприведенных достаточно простых и понятных схем можно избежать большего количества проблем в будущем.
Источник
Защита от напряжений обратной полярности с помощью «идеальных диодов»
При разработке электронных устройств с батарейным питанием крайне важно предусмотреть защиту от неправильной установки батареек, чтобы обезопасить электронные компоненты от напряжения обратной полярности. Чаще всего батарейный отсек и контакты выполняют таким образом, чтобы физически было невозможно вставить элемент питания неправильно. Например, в литиевых аккумуляторах, используемых в смартфонах, а так же в стандартных пальчиковых и мизинчиковых батарейках контакты имеют особую форму. Однако в случае с дисковыми элементами питания такой подход не возможен, как и в автомобильных приложениях, где обратная полярность возникает при неверном подключении клемм аккумулятора. В таких случаях для защиты приходится использовать дополнительные электронные компоненты.
Для защиты от обратного напряжения может быть использован простой диод, включенный последовательно с нагрузкой (рис. 1). Однако главным недостатком такого решения становится рост потерь мощности, что является крайне нежелательным для устройств с батарейным питанием. Кроме того, если речь идет о низких напряжениях, то даже незначительное падение напряжения 0,3…0,4 В при использовании диодов Шоттки может быть неприемлемым. Впрочем, для многих автомобильных приложений этот недостаток является не очень критичным.
Рис. 1. Последовательный диод является самым простым решением для защиты от напряжений обратной полярности
Для устранения озвученных недостатков используются различные варианты «идеальных диодов». Например, компания Linear Technology предлагает интегральные решения на базе МОП-транзисторов, которые, в отличие от обычных диодов, обеспечивают минимальный уровень потерь и низкое падение напряжения. Но если вы решите применять подобные микросхемы для защиты от напряжений обратной полярности, в обязательном порядке ознакомьтесь с документацией. Дело в том, что многие из них для этого не предназначены. Например, микросхема LTC4412 обеспечивает такую функцию, а LTC4411 – нет (рис. 2). При этом LTC4412 требует внешнего МОП-транзистора, а LTC4411 имеет встроенный ключ.
Рис. Микросхема LTC4412 является альтернативой для обычных диодов
В соответствии с устоявшимися правилами именования продуктов Linear Technology, если в описании микросхемы содержится слово «контроллер», то для ее работы требуется внешний МОП-транзистор. LTC4359 представляет собой специализированный контроллер, предназначенный для защиты от напряжений обратной полярности при неверном подключении аккумулятора автомобиля (рис. 3). Эта микросхема способна выдерживать обратное напряжение до 40 В.
Рис. 3. Микросхема LTC4359 предназначена для защиты от напряжений обратной полярности при неверном подключении аккумулятора автомобиля
К сожалению, сейчас сложно найти специализированную ИС для защиты от напряжений обратной полярности. Впрочем, даже в продвинутых микросхемах питания, например, в зарядных устройствах, защита от обратной полярности также не всегда присутствует. В итоге, эту проблему зачастую приходится решать с помощью схем на дискретных компонентах. Например, схема на базе простого P-канального МОП-транзистора и стабилитрона позволяет отказаться от защитного диода (рис. 4).
Рис. 4. Схема защиты от обратной полярности питающего напряжения на базе дискретных компонентов
В предложенной схеме транзистор и стабилитрон выбираются исходя из требований конкретного приложения. Резистор R2 выступает в качестве нагрузки. Стабилитрон D1 защищает транзистор M1 от превышения допустимого значения напряжения затвор-исток. При этом D1 может отсутствовать, если значения допустимых напряжений МОП-ключа превосходят уровни возможных напряжений схемы. Конденсатор С1 гарантирует правильную работу схемы при быстром изменении полярности входного напряжения. Если конденсатор отсутствует, то это может привести к плачевным последствиям (рис. 5).
Рис. 5. Если конденсатор С1 отсутствует, то при смене полярности входного напряжения от +5 В до -5 В на выходе наблюдается отрицательный выброс напряжения
Если напряжение на входе не изменяется, то схема защищает от обратной полярности, даже в том случае, когда конденсатор С1 отсутствует. Однако в момент переключения полярности на выходе наблюдается отрицательный выброс напряжения. Это может привести к повреждению используемых электронных компонентов. Подключение конденсатора С1 решает эту проблему (рис. 6).
Рис. 6. При наличии конденсатора С1 схема защищает нагрузку даже при резком изменении полярности входного напряжения
Таким образом, при наличии конденсатора С1 схема защищает от обратной полярности даже при быстром изменении входного напряжения. Оставшийся небольшой отрицательный импульс 80 мВ, наблюдаемый на выходе (см. рис. 6), может быть дополнительно уменьшен за счет увеличения емкости конденсатора. Наблюдаемые на осциллограмме выбросы тока связаны с перезарядкой С1 при переключениях. Стоит отметить, что при смене модели транзистора может потребоваться корректировка номиналов пассивных компонентов. Например, для более мощного транзистора скорее всего будет необходимо увеличение емкости конденсатора С1.
При подключении P-канального МОП-транзистора следует быть очень внимательным. Если перепутать сток и исток, то при возникновении обратной полярности встроенный диод окажется открытым, и отрицательное напряжение будет приложено прямо к нагрузке. Это же замечание касается и рассмотренных выше микросхем от Linear Technology. В приведенных схемах (рис. 2, рис. 3) встроенный диод открывается при положительном входном напряжении и остается открытым до тех пор, пока не включится МОП-транзистор. Если же пороговое напряжение затвор-исток для ключа достаточно мало, то встроенный диод и МОП-транзистор могут включаться практически одновременно.
Использование специализированной ИС, такой, например, как LTC4349, позволяет сократить время разработки, однако стоимость подобного решения будет выше по сравнению со схемой на дискретных компонентах. Кроме того, при создании автомобильных приложений важно помнить, что устройство должно соответствовать требованиям устойчивости к кондуктивным помехам в цепях питания в соответствии со стандартом ISO7637-2.
Источник