Когда хорошо работающая электроника вдруг выходит из строя,
или Как защитить ее аналоговые входные каскады

Что такое электрическое перенапряжение?

«Электрическое перенапряжение» (в англ. терминологии — electrical overstress) — общее понятие, описывающее систему, которая испытывает перегрузку от слишком большого количества электронов (в общем понимании, энергии внешнего воздействия), пытающихся проникнуть в ее схему. Здесь важно помнить, что электрическое перенапряжение представляет собой функцию мощности и времени.

Это дает возможность абстрагировать сложную схему, представив ее как один простой компонент, рассеивающий энергию, — например, резистор. Представьте воздействие напряжения в 1,1 В на резистор 1 Ом с номинальной рабочей мощностью 1 Вт. Уравнение для рассеиваемой мощности

P = V²/R

показывает, что на резисторе при таком воздействии мы имеет 1,21 Вт рассеиваемой мощности. Несмотря на то, что резистор рассчитан на 1 Вт, он, и это вполне вероятно, имеет некоторый заложенный в его конструкцию изготовителем технологический запас, поэтому способен вынести такую перегрузку как минимум в течение некоторого времени. Однако поскольку мы — инженеры, то должны сказать здесь «вероятно», а не «гарантированно».

А что произойдет, если мы увеличим напряжение до 2 В? Сэкономленные на этом резисторе деньги превратят его для вас в своеобразный обогреватель, пусть даже такая перегрузка действует в течение очень ограниченного периода. Напомню, что мощность зависит от квадрата напряжения V²/R, и в данном случае (по сравнению с предыдущим примером) на нашем резисторе будет рассеивается в четыре раза больше мощности!

Ну а что будет, если увеличить напряжение на резисторе до 10 В, но только на время, например на 10 мс? То есть здесь мы имеем дело с импульсом, причем определенной формы, поскольку необходимо учитывать не только его амплитуду, но и скорость нарастания и спада. И вот тут-то все становится интересным. В этом случае уже невозможно просто рассказать об эффектах такого воздействия, не понимая его влияния и того, к чему оно приводит в конкретном приложении. Поняв это, мы сможем применить полученные знания ко всей системе.

Что подвержено электрическому перенапряжению?

В общем, все, что имеет внутри ту или иную электронику, подвержено электрическому перенапряжению. Особенно уязвимы те части, которые взаимодействуют с внешним миром, так как они, вероятно, в первую очередь подвергнутся электростатическому разряду (electrostatic discharge, ESD), последствиям от удара молнии и т. д. В этом плане нас интересуют такие системные компоненты, как USB-порты, аналоговые входы осциллографов и даже порт зарядки новейших высокопроизводительных блендеров на основе технологии «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT).

Откуда мы знаем, от чего защищаться?

Хотя мы понимаем, что необходимо предохранить систему от электрических перенапряжений, термин «защита» слишком широк, чтобы быть полезным, когда речь идет о принятии решения о том, как именно требуется защитить нашу систему. Вот почему сотрудники МЭК (Международная электротехническая комиссия — международная некоммерческая организация по стандартизации в области электрических, электронных и смежных технологий) и многих других организаций проделали весьма непростую работу, чтобы выяснить, с какими типами электрических перенапряжений мы можем столкнуться в реальной жизни и каковы их параметры, определяющие воздействия. Мы сконцентрируемся на стандартах МЭК, поскольку они охватывают приложения для самого широкого рынка РЭА, а сложность их понимания послужила причиной написания данной статьи.

Рис. 1. Форма разрядного тока испытательного генератора (контактный разряд, испытательное напряжение 8 кВ)

В таблице 1 приведены три базовых стандарта, которые определяют, с какими типами электрических перенапряжений может столкнуться система. И хотя в данной статье подробно будет обсуждаться проблема защиты от разряда статического электричества, мы должны иметь определенное понятие и знания по таким вызывающим перенапряжения воздействиям, как электрические быстрые переходные процессы (electrical fast transient, EFT) и короткие скачки (выбросы) напряжения.

Рис. 2. Электрические быстрые переходные напряжения уровня 4, соответствующие стандарту IEC-61000-4-4 (ГОСТ IEC 61000-4-4-2016)

Рис. 3. Нормализованный выброс тока (8/20 мкс) согласно IEC-61000-4-5

На рис. 1–3 показаны примеры форм воздействующих импульсов перенапряжения, установленные стандартами, приведенными в таблице 1. А на рис. 4 представлена упрощенная схема испытательного генератора, используемого в соответствии со стандартом IEC‑61000–4­2, и ее практическое применение.

Рис. 4. Упрощенная схема испытательного генератора, используемого в соответствие стандарта IEC-61000-4-2, и ее практическое применение

Но разве люди, которые разработали интегральные схемы, уже не защищали чипы от электростатического разряда?

Это вполне законный вопрос, но ответ на него в целом не удовлетворительный: и да и нет. Да, микросхемы разработаны с устойчивостью по отношению к электростатическим разрядам, но в ситуациях, когда они находятся на технологической линии, а не когда они работают в конкретных системах и на них подано рабочее напряжение. Такой момент очень важен, потому что, если на операционный усилитель (ОУ) подается питание, он при воздействии разряда статического электричества может вести себя совершенно иначе, чем если бы он не был подключен к чему-либо. Например, воздействие электростатического разряда на компоненты РЭА без питания может рассеиваться внутренними защитными диодами. Однако подобное воздействие с поданным питанием способно привести к тому, что внутренние структуры ОУ будут проводить больше тока, чем тот, на который они рассчитаны. Это, естественно в зависимости от типа компонента и напряжений питания, может привести к выгоранию его внутреннего содержимого или как минимум входных цепей, от чего вам легче не будет.

Как защитить свои микросхемы от этой надвигающейся угрозы?

Как вы понимаете, здесь настолько много вариантов, что простое решение не может быть применено ко всем вероятным ситуациям. Ниже приведен список факторов, которые будут определять, выдержит компонент РЭА событие в виде электрического перенапряжения или нет. Список разделен на две группы: не зависящие от нас факторы, которые мы не можем контролировать, и факторы, которые мы не только можем, но и должны контролировать.

Факторы, которые мы не можем контролировать:

• Форма испытательного сигнала, определенная МЭК. Все виды воздействий импульса разрядного тока испытательного генератора на проверку устойчивости к электростатическому контактному разряду, представление электрических быстрых переходных процессов (пачек) и импульс при испытании на устойчивость к выбросу напряжения имеют совершенно разные профили, поэтому они будут использовать определенные недостатки устройств, на которые они по­разному воздействуют.
• Технологический процесс и сама технология рассматриваемого компонента. Некоторые технологии изготовления микросхем более уязвимы для блокировки, чем другие. Например, процессы КМОП (CMOS) наиболее подвержены блокировке, но существуют способы смягчения этой опасности посредством тщательного проектирования и технологии изоляции канавками с диэлектрическим материалом (структура ИС с щелевой изоляцией), используемые во многих современных процессах.
• Внутренняя структура устройства. Существует так много способов разработки ИС, что схема защиты, пригодная для одной ИС, окажется бесполезной для другой. Например, многие устройства имеют схемы синхронизации, включающие защитные структуры при обнаружении достаточно быстрого сигнала. То есть устройство, которое «выживет» после разряда статического электричества, «погибнет», если вы добавите достаточную емкость к месту воздействия. Этот ответ нелогичен, но его очень важно понять: проблема в том, что общий метод защиты схемы путем использования RC­фильтра может здесь не решить, а лишь усугубить проблему.

Факторы, которые мы можем контролировать:

• Компоновка элементов и разводка цепей подключения на печатной плате. Чем ближе радиоэлементы окажутся к месту воздействия перенапряжения, тем выше вероятность получения ими сигнала более высокой энергии. Это происходит потому, что, когда воздействующий сигнал (в виде тока или напряжения) распространяется по дорожке печатной платы, его энергия рассеивается в виде электромагнитного излучения по пути его распространения. Кроме того, энергия импульса перенапряжения переходит в тепло, обусловленное сопротивлением пути его распространения, поглощается паразитными емкостями, а часть энергии импульса через емкостную и индуктивную связь попадает на соседние проводники.
• Схема защиты. Именно здесь мы можем оказать наиболее существенное влияние на обеспечение живучести нашего конечного устройства.

Понимание того, как максимально эффективно разработать схему защиты, даст нам вышеперечисленное — именно то, что мы не можем контролировать.

У вас уже есть такие классные функции, как защита от перенапряжения (overvoltage protection, OVP) и OTT. Каким образом использовать их для защиты от переходных процессов высокого напряжения?

Что можно ответить на это? Нет, нет и нет! Никогда так не делайте. Это глупая идея. Функции OVP и OTT (операционные усилители типа Over-The-Top имеют топологию входных каскадов, позволяющую им при замкнутой обратной связи работать с напряжениями, намного превышающими напряжение положительной шины питания) действительно позволяют входам такого компонента пережить напряжения, выходящие за пределы напряжений питания, с нулевой вероятностью повреждения. Полагаться на эти функции для защиты от переходных напряжений высокого напряжения — все равно что надеяться на резиновые сапоги при воздействии струи воды от мойки высокого давления Karcher. Резиновые сапоги предназначены для луж, которые меньше их высоты, так же как OVP и даже OTT пригодны лишь для напряжений ниже номинальных значений. Номинальное напряжение таких защитных решений составляет порядка максимум десятков вольт выше номинального напряжения шины питания, но они не помогут вам устоять против удара уровнем 8000 В.

Как узнать, какая схема защиты будет реально работать?

Мы можем получить разумное представление о том, какими будут оптимальные варианты и компоненты защиты для использования в вашей системе, только используя комбинацию теоретических знаний, опыта (часто горького) и тестирования устройств. Для обеспечения должной управляемости процесса защиты от перенапряжений существует огромный, предлагаемый разными производителями перечень компонентов защиты. Но чтобы не превратить информационную статью в многотомное руководство, в ней будет рассказано только о двух схемах защиты цепей, доказавших свою эффективность в защите аналогового входного каскада. Основой будет устройство, которое использует для внешней связи буферный каскад на основе операционного усилителя (ОУ) в неинвертирующей конфигурации. Мы выбрали этот вариант, поскольку считается, что он самый сложный, ведь неинвертирующий вход ОУ принимает на себя весь удар импульса перенапряжения без каких-либо естественных ограничений, разумеется, до установки элементов защиты (рис. 4).

Схема защиты на основе RC-звена

Простейший из вариантов защиты — использование обычного RC-звена. Схема такой защиты применительно к буферному ОУ представлена на рис. 5, а его преимущества и недостатки сведены в таблице 2.

Соображения по выбору элементов защиты:

• Резистор R1 должен быть устойчивым к импульсным воздействиям, то есть толстопленочным резистором, — это необходимо, чтобы он не мог быстро выйти из строя при переходных процессах высокого напряжения.
• Шум напряжения, генерируемый резистором R1, пропорционален квадратному корню из сопротивления резистора — это важный фактор, который следует учитывать, если система должна иметь низкий уровень шума.
• Конденсатор C1 должен быть керамическим, типоразмера не менее 0805, это требуется, чтобы избежать его механической деформации при воздействии импульса перенапряжения и, соответственно, его растрескивания или полного механического разрушения.
• Конденсатор C1 должен быть выполнен как минимум из диэлектрика X5R (в идеале C0G/NP0), так как для поддержания предсказуемой емкости важен низкий температурный коэффициент емкости.
• Конденсатор C1 должен иметь как можно меньшие эквивалентные последовательные индуктивность (equivalent series inductance, ESL) и сопротивление (equivalent series resistance, ESR), чтобы он мог эффективно поглощать импульс воздействия.
• Конденсатор С1 в выбранном варианте исполнения корпуса должен иметь как можно более высокое номинальное рабочее напряжение (минимум 100 В).
• Конденсатор C1 включен перед резистором R1, потому что он создает емкостный делитель с конденсатором 150 пФ (рис. 5), который разряжает сигнал генератора ESD в нашу систему, а задача конденсатора C1 — поглотить эту энергию или ее большую часть.

Рис. 5. Защита входа с помощью фильтра нижних частот на аналоговом входе

Хотя данный метод защиты аналоговых входных каскадов не одобрен производителями конденсаторов, он продемонстрировал свою эффективность в течение сотен испытаний усилителей. Однако профиль тестирования на устойчивость к контактному разряду статического электричества (показанный на рис. 1) был испытан только на ограниченном ряде конденсаторов (табл. 4), поэтому, если используются конденсаторы других типов, крайне важно уточнить, как они справляются с воздействиями импульсов перенапряжения, например, путем измерения емкости и последовательного сопротивления до и после воздействия. После снятия импульса перенапряжения конденсатор должен сохранять свою емкость и не иметь критических токов утечки для напряжения постоянного тока.

Схема защиты с использованием TVS-диодов

Схема защиты аналоговых входных каскадов на основе TVS-диодов (Transient-voltage­suppression diode), специально разработанных для подавления переходных напряжений, считается еще одним эффективным и часто используемым решением. Схема простейшего варианта такого решения представлена на рис. 6, а его преимущества и недостатки сведены в таблице 3.

Соображения по выбору:

• Аналогично защите на основе RC­-цепи резистор R1 должен выдерживать импульсы напряжения, может потребоваться учитывать генерируемые им шумы.
• Диод D1 должен быть специфицирован для стандартов, соблюдение которых должно стать обязательным. В одних случаях от него может требоваться только зашита от электростатического контактного разряда, а в других случаях — защита от электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивость к выбросам напряжения.
• Диод D1 должен быть двунаправленным, чтобы блокировать как положительные, так и отрицательные импульсы перенапряжения.
• Ограничивающее рабочее напряжение диода D1 должно быть выбрано как можно более высоким, но следует проверить его достаточность, выполнив необходимые испытания. Слишком низкое рабочее напряжение диода способно привести к появлению тока утечки при нормальных уровнях напряжения системы. Слишком высокое рабочее напряжение может не позволить ему среагировать на импульс перенапряжения, и система будет повреждена.

Рис. 6. Защита входа аналогового входного каскада с помощью TVS-диода

Но я слышал, что TVS-диоды имеют высокий ток утечки, который ухудшит производительность моей системы

В области аналоговой электроники бытует общепринятое мнение, что TVS-диоды имеют весьма высокие токи утечки и, следовательно, не могут использоваться в прецизионных аналоговых входных каскадах. Это утверждение не обязательно ошибочно. Действительно, многие спецификации на TVS-диоды показывают ток утечки, не превышающий 100 мкА, но это значение является довольно высоким для большинства аналоговых входных каскадов. Проблема здесь заключается в том, что ток утечки берется при максимальном рабочем напряжении и при максимальной температуре (+150 °C). В этом случае диод будет иметь высокий ток утечки. Все TVS-диоды в силу своей природы начинают увеличивать ток утечки при температурах, превышающих +85 °C. Так что если вы выбираете TVS-диод с оптимально высоким рабочим напряжением и не планируете использовать ваш конечный продукт на температурах, значительно превышающих +85 °C, то в реальности можно ожидать гораздо меньших, некритических токов утечки.

Вы можете удивиться, увидев, насколько незначительным будет ток утечки, связанный с TVS-диодом, если вы правильно его выберете. На рис. 7 показаны данные измерения утечки 12 TVS-диодов одного типа.

Рис. 7. Ток утечка 36-В двунаправленных диодов TVS-диодов T36SC компании Bournes с использованием оценочной платы ADA4530 с экранированием и резистором номиналом 10 ГОм при температуре 25 °C

Из двенадцати измеренных TVS-диодов при смещении постоянного тока 5 В у наихудшего из них был ток утечки 7 пА. Это более чем в 10 млн раз лучше, нежели при наихудшем сценарии согласно спецификации. Естественно, здесь с точки зрения токов утечки имеются различия от партии к партии диодов, но это должно по крайней мере иллюстрировать порядок того, чего можно ожидать. Если наша система не будет эксплуатироваться при температурах выше +85 °C, то TVS-диоды могут оказаться весьма неплохим вариантом. Просто не забудьте проверить ток утечки, если выбираете другие продукты, а не те, которые были специально здесь протестированы. То, что может быть правдой для одного типа радиоэлемента или производителя, не всегда соответствует действительности для других.

Результаты тестирования

Для получения результатов по эффективности защиты была протестирована серия операционных усилителей с использованием стандарта МЭК (IEC‑61000–4-2) в части требований по устойчивости к электростатическим разрядам. В таблице 4 показано, какие компоненты предохраняют те или иные схемы защиты. Несмотря на то, что стандарт предусматривает испытания тремя воздействиями импульса перенапряжения уровнем ±8 кВ, все представленные схемы (чтобы обеспечить достаточный технологический запас по степени защиты) прошли тестирование при 100 импульсах воздействия уровнем ±9 кВ.

Согласно стандарту МЭК, требуется, чтобы заземление генератора испытательного импульса было подключено к заземлению усилителя через два резистора номиналом 470 кОм параллельно с конденсатором емкостью 30 пФ. Используемая тестовая установка выполнена более жесткой, потому что заземление генератора испытательного сигнала было напрямую связано с заземлением усилителя. Для дополнительной аутентичности эти результаты были также проверены и с помощью описанной выше схемы заземления в соответствии с требованиями МЭК. Имейте в виду, что усилители имеют очень разные внутренние структуры — то, что пригодно для устройств из предложенного списка, может работать или нет для других. Рекомендуется, чтобы при использовании иных операционных усилителей или других защитных компонентов они предварительно были тщательно протестированы.

Используемые компоненты защиты:

• Резисторы: серия ERJ-P6, типоразмер 0805, производство компании Panasonic.
• Конденсаторы: керамические, типоразмера 0805, диэлектрик C0G/NPO, номинальное рабочее напряжение 100 В, производства компании Yageo.
• TVS-диоды: CDSOD323‑T36SC, производство компании Bourns (двунаправленные, напряжение 36 В, с малым током утечки, нормированные для защиты от электростатического контактного разряда, электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивые к выбросам напряжения в рамках требований соответствующих стандартов).
• Варисторы для защиты от разрядов статического электричества: многослойные варисторы серии MLA, типоразмер 0603, рабочее напряжение 26 В, производство компании Bourns.

Бонусный компонент: варистор для защиты от разрядов статического электричества

Безусловно, TVS-диоды весьма хорошие устройства, они отлично действуют и могут срабатывать неограниченное количество раз. Эта функция отлично подходит для электрических быстрых переходных процессов (пачек) и обеспечения устойчивости аппаратуры к выбросам напряжения. Но если вам нужна только защита от электростатического разряда, посмотрите на специально разработанные для этой цели варисторы. Они представляют собой резисторы с чрезвычайно высоким сопротивлением, но до тех пор, пока к ним не будет приложено определенное пороговое напряжение. Как только оно будет превышено, такой варистор практически мгновенно превращается в резистор с низкой величиной сопротивления и шунтирует через себя энергию импульса перенапряжения.

Варисторы используются в той же конфигурации, что и TVS-диоды. Их преимущество в малом токе утечки, и стоят они вполовину меньше, чем TVS-диод. Однако имейте в виду, что они не предназначены для сотен воздействий импульсов перенапряжения, поскольку их начальное сопротивление будет уменьшаться с каждым ударом. Эти варисторы тоже были протестированы на вышеуказанных продуктах и показали наилучшие результаты, когда встроенный резистор был примерно в два раза больше по номиналу, чем тот, который необходимо было бы использовать вместе с TVS-диодом.

А как насчет защиты от электрических быстрых переходных процессов (пачек) и обеспечения устойчивости аппаратуры к выбросам напряжения?

Вышеперечисленные продукты были протестированы только на соответствие требованиям стандарта по устойчивости к разряду статического электричества. Что касается защиты от электрических быстрых переходных процессов (пачек), это воздействие является уникальным в том смысле, что оно ударяется пачками (5 кГц или более) и с более медленным временем нарастания (5 нс), хотя напряжения не столь высоки (4 кВ и ниже). Если говорить о выбросе напряжения, он имеет примерно в 1000 раз больше энергии, чем у электрических быстрых переходных процессов (пачек), но его действие на 1/1000 короче. Если вам необходимо охватить эти стандарты, убедитесь, указано ли в спецификациях на компоненты защиты, что они могут справиться с подобными воздействиями.

Заключение: о защите цепи в двух словах

Если вам кажется, что RC-фильтр или TVS-диод выглядят так, будто их просто добавляют в схему после решения всех «важных» вопросов, вы глубоко ошибаетесь и сильно рискуете. Вспомните все упомянутые в этой статье моменты, оказывающие влияние на производительность системы и уровень защиты, — должную компоновку, правильный выбор, используемые аналоговые входные каскады и стандарт МЭК, требованиям которого необходимо соответствовать. Если вы вспомните об этом на раннем этапе, то на заключительной стадии, скорее всего, вам не придется экстренно перепроектировать свою систему.

Как уже было сказано, эта статья далека от детального обзора. В частности, тема чувствительности будет более подробно рассмотрена в последующих статьях. Другие проблемы в конструкции приемника базовой станции включают алгоритмы автоматической регулировки усиления (automatic gain control, AGC), оценку канала и алгоритмы выравнивания. Мы планируем дополнить эту статью серией технических публикаций, чтобы упростить процесс проектирования и сделать более понятной всю систему приемника в целом.

Автор статьи благодарит Международную электротехническую комиссию (МЭК) за разрешение на воспроизведение информации из ее международных стандартов.