Защита от перенапряжений

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются компоненты защиты от перенапряжения. Кратко описываются наиболее интересные из них. Приводится практический пример реализации защиты от перенапряжений в автомобильной электронике.

Поскольку перенапряжения в электрических цепях происходят практически во всех электронных системах, в них установлены те или иные компоненты защиты. Перенапряжения могут вызываться не только внешними, но и внутрисхемными источниками. К первым из них относятся разряды, вызванные прикосновениями к корпусу прибора, разряды молнии, помехи, возникающие при коммутации силового оборудования. Эти источники создают радио- и кондуктивные помехи на проводах и кабелях, подключенных к электронному изделию.

Внутренними источниками помех чаще всего служат AC/DC- и DC/DC-преобразователи, а также устройства, формирующие импульсы с крутыми фронтами. Существует ряд российских стандартов, гармонизированных с международными, в которых описываются требования и методы испытаний для обеспечения защиты от перенапряжений.

  • ГОСТ IEC 60950–1-2014 «Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 1. Общие требования».
  • ГОСТ IEC 60950–21–2013 «Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 21. Удаленное электропитание».
  • ГОСТ 30804.4.2–2013 (IEC 61000–4-2:2008) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний».
  • ГОСТ IEC 61000–4-4–2016 «Электро-магнитная совместимость (ЭМС). Часть 4–4. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам)».
  • ГОСТ IEC 61000–4-5–2017 «Электро-магнитная совместимость (ЭМС). Часть 4— Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения».
  • ГОСТ IEC 61643–21–2014 «Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 21. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к телекоммуникационным и сигнализационным сетям. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний».

Например, в ГОСТ 30804.4.2–2013 (IEC 61000–4-2:2008) описаны методы испытаний на устойчивость к внешним электростатическим разрядам. На рис. 1 показан импульс тока испытательного генератора. Длительность нарастания фронта должна составлять 0,8 нс, а пиковый ток в зависимости от метода испытаний варьируется в пределах 2—16 А. Напряжение разряда в зависимости от метода испытаний находится в пределах 2—8 кВ.

Импульс тока испытательного генератора для проверки изделия на электростатический разряд

Рис. 1. Импульс тока испытательного генератора для проверки изделия на электростатический разряд

Защита от внешних источников осуществляется конструктивными способами, с помощью экранирования и заземления корпуса прибора, а также кабелей, подключаемых к прибору. Этой теме посвящено немало статей, и мы не будем ее касаться. Защита от перенапряжений, которые «смогли пробраться» в изделие или формируются внутри него, реализуется с помощью специальных компонентов. К ним относятся газовые разрядники, варисторы, TVS-диоды.

Применение газовых разрядников не вызывает особых вопросов — их используют в зашумленных средах с мощными источниками перенапряжений. Например, максимальное напряжение пробоя газовых разрядников Epcos достигает 6 кВ, а импульсный ток — 100 кА. Примерно в таких же случаях, но в системах с напряжением не более 1000 В используются высоковольтные варисторы. Варисторы той же компании Epcos рассеивают в импульсе до 6000 Дж; при этом через них протекает ток до 100 кА. Преимущество варисторов над газовыми разрядниками заключается в меньшем времени восстановления после срабатывания, но у газовых разрядников меньше напряжения срабатывания и они рассеивают меньшую мощность.

В случае защиты высокочастотных низковольтных цепей или низковольтных цепей с высокоскоростными интерфейсами проблема выбора защитных компонентов решается не так просто. Дело в том, что компонент защиты не должен влиять на полезный сигнал. Это значит, что его паразитная емкость и ток утечки должны быть минимальными. Причем, чем выше частота сигнала или меньше длительность фронта сигнала, тем меньше должна быть паразитная емкость компонента защиты.

Вольтамперные характеристики варисторов (слева) и TVS-диодов (справа)

Рис. 2. Вольтамперные характеристики варисторов (слева) и TVS-диодов (справа)

В данном случае допускается использование многослойных варисторов или TVS-диодов. Среди производителей этих компонентов, широко представленных на нашем рынке, выделим Bourns, Littelfuse, TDK Epcos, Toshiba, STMicroelectronics. Вольтамперные характеристики варисторов или TVS-диодов приведены на рис. 2. Для основных параметров приняты следующие обозначения:

  • VRM — максимальное рабочее напряжение при нормированном производителем токе утечки;
  • IRM — нормированный производителем ток утечки;
  • IPP — максимальный импульсный ток для волны перенапряжения с заданными параметрами;
  • RD — динамическое сопротивление;
  • VBR — напряжение начала пробоя, при котором ток утечки достигает 1 мА;
  • VCL — напряжение ограничения;
  • VH — минимальное напряжение ограничения, которое является пороговым для отключения защиты;
  • VTRIG — напряжение «опрокидывания» вольтамперной характеристики;
  • СLINE — емкость компонента, определяемая при 1 МГц и 0-30 мВ;
  • РРР — пиковая рассеиваемая мощность.

Проверка защищаемых цепей производится стандартным импульсом перенапряжения, форма которого приведена на рис. 3. Мощность импульса определяется на тонированном участке. Форма импульса описывается соотношением t1/t2 и в зависимости от целей испытаний и используемых стандартов принимает значения 8/20 мкс, 10/1000 мкс и 5/50 нс. Для каждой формы импульса производитель нормирует максимальный ток IPP.

Стандартный импульс перенапряжения для поверки защищаемой цепи

Рис. 3. Стандартный импульс перенапряжения для поверки защищаемой цепи

Упомянутые выше четыре компании (Bourns, Littelfuse, TDK Epcos, STMicroelectronics) выпускают огромное количество многослойных варисторов или TVS-диодов. Поскольку рассмотреть их все или даже систематизировать в рамках одной статьи не представляется возможным, мы кратко остановимся на некоторых наиболее интересных, на наш взгляд, компонентах.

Начнем с многослойного варистора CG0402MLU/CG0603 MLU семейства Chip-Guard компании Bourns. Его емкость составляет всего 0,05 пФ. Это феноменальный результат, принципиально недостижимый для TVS-диодов из-за невозможности уменьшить до такой величины емкость p-n-перехода. Скорее всего, эта емкость меньше паразитной емкости проводников печатной платы, к которым подключается варистор. Максимальный ток утечки варистора также крайне мал – не более 5 нА. Другими словами, он не нарушает целостность сигнала защищаемой линии. Казалось бы, найдено идеальное решение, но, увы, в эту бочку меда мы вынуждены добавить ложку дегтя.

Во-первых, величина напряжения ограничения VCL варисторов CG0402MLU/ CG0603MLU довольна велика и составляет 25 В. Для низковольтных цепей это большое напряжение, которое может оказаться неприемлемо высоким для компонентов цепи. Другой возможный недостаток заключается в относительно большом напряжении срабатывания VTRIG. По заявлению производителя, эта величина достигает 250 В при испытании на контактный разряд по уровню 4 (испытательное напряжение 8 кВ) ГОСТ 30804.4.2–2013 (IEC 61000–4-2:2008).

Возможно, столь большое напряжение VTRIG обусловлено принципом действия варистора: его сопротивление резко уменьшается при нагреве, время которого не может быть бесконечно малым. За это время испытательное напряжение успевает дорасти до 250 В. Конечно, на практике подобная ситуация маловероятна – едва ли конструкция изделия позволит провести испытания по методам ГОСТ 30804.4.2–2013 (IEC 61000–4-2:2008), как это показано на рис. 4, но тепловую инерционность варистора разработчику следует держать в уме. Низкочастотный шум, генерируемый варистором, следует учитывать при защите цепей с аналоговыми сигналами. В нашем же случае, напомним, речь идет о высокоскоростных интерфейсах, и потому им можно пренебречь.

Испытания по ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)

Рис. 4. Испытания по ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)

Компании Littelfuse удалось минимизировать паразитную емкость TVS-диодов SP3011: она составляет 0,4 пФ. Однако большего внимания заслуживает последняя новинка Littelfuse этого года — 4‑канальный массив TVS-диодов SP3384NUTG. Хотя его паразитная емкость чуть выше и составляет 0,5 пФ, ток утечки заметно меньше — всего 3 нА (тип.). По этой же причине мы отдадим этому массиву предпочтения и перед TVS-диодом CDDFN2-T5.0LC компании Bourns, ток утечки которого заметно выше и составляет 100 нА.

Кроме того, методы испытания у SP3011 заметно жестче, чем были у аналогов. И для воздушного, и для контактного разрядов испытания по ГОСТ 30804.4.2–2013 (IEC 61000–4-2:2008) проводились напряжением 30 кВ, что заметно превышает требования стандарта. Пиковый ток при испытательном импульсе 8/20 мкс составил 15 А, а при импульсе 5/50 нс — 40 А. Эти показатели заметно лучше, чем у аналогов, производство которых началось на несколько лет раньше.

Напряжение ограничения TVS-диодов SP3011 при импульсе 8/20 мкс и пиковом токе 1 А не превышает 4 В, а при увеличении пикового тока до 15 А — 12 В. Величина напряжения VTRIG составляет примерно 21 В. Массив SP3011 способен обеспечить защиту двух дифференциальных сигнальных пар.

Не менее интересную новинку представила компания Toshiba. Ей удалось уменьшить емкость TVS-диода DF2B5M4ASL до 0,15 пФ. Впечатляют и результаты испытаний импульсом 8 кВ, 5/50 нс. Результаты испытаний показаны на рис. 5. Как видно из рисунка, максимальное напряжение составило 168 В, что намного лучше, чем у рассмотренного выше варистора при импульсе 8/20 мкс. TVS-диод DF2B5M4ASL рассеивает мощность 30 Вт при воздействии на него импульса 8 кВ, 8/20 мкс.

Результаты испытаний TVS-диода DF2B5M4ASL импульсом 8 кВ, 5/50 нс

Рис. 5. Результаты испытаний TVS-диода DF2B5M4ASL импульсом 8 кВ, 5/50 нс

Хотя мы рассмотрели компоненты для защиты от перенапряжений для высокоскоростных интерфейсов, нельзя не упомянуть любопытную идею компании TDK Epcos, доказавшей верность известного изречения: «Наши достоинства — продолжение наших недостатков». Вместо того чтобы свести к минимуму паразитную емкость варисторов, ее увеличили. В результате получилось интересное решение — семейство многослойных варисторов MCVA с двумя варисторами в одном корпусе с одинаковой емкостью (рис. 6); рассогласование значений емкости не превышает 1%.

Варисторы семейства MCVA с согласованными емкостями

Рис. 6. Варисторы семейства MCVA с согласованными емкостями

Таким образом, помимо ограничения перенапряжений варисторы MCVA выполняют функцию фильтра электромагнитных помех и могут использоваться в дифференциальных интерфейсах с ограниченной скоростью передачи данных, например FlexRay, CAN и др. Компания производит варисторы с согласованными емкостями в пределах 2×15—2×100 пФ для интерфейсов со скоростью передачи данных до 10 Мбит/с. Эти варисторы можно использовать и для защиты аналоговых цепей.

Обобщенная электрическая схема электрооборудования современного автомобиля

Рис. 7. Обобщенная электрическая схема электрооборудования современного автомобиля

Перенапряжения могут вызваться несколькими источниками в разных частях электрической цепи. Воспользуемся примером из [1]. На рис. 7 показана обобщенная электрическая схема электрооборудования современного автомобиля. TVS-диоды установлены на входах и выходах всех электронных блоков. На рис. 8 показаны возможные импульсы перенапряжения и указаны их источники.

Импульсы перенапряжения и их источники

Рис. 8. Импульсы перенапряжения и их источники

По мере все большего использования межмодульной связи в современных автотранспортных средствах возрастает спрос на TVS-устройства для работы с сигналами стандартов CAN, FlexRay и LIN. Эти шины применяются для осуществления критичной к безопасности связи между автомобильными модулями; передача сигналов может прерываться из-за помех малой мощности. В таких случаях требуется защитить сигналы и модули, не уменьшая ширину полосы пропускания. Описанные выше компоненты позволяют реализовать полную защиту рассмотренной на рис. 5 системы.

Литература
  1. Isaac Sibson. Adding Transient Voltage Suppression in Automotive Applications

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *