Bescherming van digitale elektronica
Release status: documentation
| Description | Bescherming van digitale elektronica
|
| License | |
| Author | |
| Contributors | |
| Based-on | [[]]
|
| Categories | |
| CAD Models | |
| External Link |
Inleiding
ESD staat voor Electro Static Discharge (elektrostatische ontlading). Er is sprake van ESD als er een ontlading van statische spanning plaatsvindt. ESD is een natuurfenomeen en komt een ieder in het dagelijkse leven tegen. Een voorbeeld van ESD is het krijgen van een schok bij het aanraken van een metalen deurknop. Wrijving van lopen en bewegen zorgt voor oplading van het lichaam, kleding, materialen en de vloer. Bij het aanraken van een geleider zoals de metalen deurknop loopt de spanning snel en ongecontroleerd weg wat een voelbare schok veroorzaakt. Deze elektrostatische ontlading is zeer schadelijk voor gevoelige elektronica.
Basis
In een generiek elektronisch systeem zijn er enkele ingangen die door de eindgebruiker worden aangestuurd. Deze ingangen worden gelezen door elektronica en worden verwerkt door middel van uitgangen. De ingangen kunnen afkomstig zijn van een groot aantal bronnen: knoppen, schakelaars, sensoren, relais en communicatieapparaten, om er een paar te noemen. In bepaalde omgevingen en situaties kunnen deze ingangssignalen een bedreiging vormen voor de elektronica die ze leest, vooral als die elektronica is ontworpen zonder dat er aan bescherming is gedacht. Een dergelijke omgeving is de wereld van industriële- en hobby-elektronica.
Een belangrijk aspect van ontwerpen voor deze omgeving is het koppelen van gevoelige elektronica aan inputs die afkomstig zijn van de zware (weers-)omstandigheden in onze woonomgeving. Meestal worden inputs gelezen door een soort intelligente processor zoals een microcontroller, FPGA of state machine. In alle gevallen is het noodzakelijk om de processor te beschermen tegen de vuile inputs, terwijl er nog steeds een bruikbaar signaal wordt geleverd dat de processor kan lezen. ±=Probleemdefinitie= In een typisch fabriekssysteem kunnen er knoppen op een bedieningspaneel zitten die zich op afstand van de centrale verwerkingseenheid bevinden. De knoppen zijn via lange draden verbonden met de centrale verwerking. Helaas kan dit leiden tot onbedoelde elektronische storingen. Lange draden kunnen als een inductor fungeren en wanneer een knop wordt geopend of gesloten, kunnen er grote spanningspieken op de elektronische paden verschijnen. Afbeelding 1 toont een vereenvoudigd diagram van deze situatie.
Om benaderingen te bespreken om dit probleem te overwinnen, zal een specifieker voorbeeld worden gebruikt. Typische microcontrollers hebben een ingangsimpedantie in de orde van 20 MΩ. Bovendien variëren de systeemspanningen van 1,2 V tot 5,0 V. In dit geval zullen we een 5 V-systeem aannemen. Afbeelding 2 toont Afbeelding 1 opnieuw geconfigureerd als een vereenvoudigd elektronisch model.
Met dit model zijn de problemen met onbeveiligde ingangen gemakkelijk te zien. Elke grote spanning die op de ingangspin verschijnt, wordt rechtstreeks naar de interne elektronica (microcontroller) gestuurd. Ongeacht hoe deze spanning wordt geproduceerd (ESD, geïnduceerde EMI, schakelaarsluiting, gebruikersfout), dit kan de microcontroller beschadigen en er mogelijk voor zorgen dat het hele systeem uitvalt. Daarom moeten verschillende beveiligingsstrategieën worden geïmplementeerd om een robuust systeem te creëren.
Om het probleem in detail te bespreken, zal een eenvoudig systeem worden opgezet zoals weergegeven in figuur 3. Het is een eenvoudige schakelaar die is aangesloten op een microcontroller met een draadaansluiting van ±7,5 meter. Let op: de schakelaar is een 2-polige schakelaar en schakelt tussen open en aarde. Een pull-up-weerstand op de microcontroller zorgt ervoor dat de open positie door de microcontroller als ‘hoog’ wordt gelezen.
Wanneer de positie van de schakelaar wordt gewijzigd, wordt er een grote spanning over de ±7,5 meter lange draad geïnduceerd, en deze verschijnt op de microcontroller. Dit wordt gedemonstreerd in Figuur 4. Merk op dat de minimale spanning veroorzaakt door het inductieve rinkelen -5,88 V is. Dit is ruim voldoende om ernstige problemen binnen een elektronisch systeem te veroorzaken.
Met dit circuit en de eenvoudige scope-opnames kan het grote spanningsprobleem worden gezien. Nu is het tijd om te kijken naar manieren om dit probleem op te lossen.
De oplossing is nabij
Een belangrijk aspect van de ingangen van microcontrollers (en de overgrote meerderheid van alle logische IC's) dat is weggelaten uit het eenvoudige model dat wordt weergegeven in figuur 3, is dat ze interne beveiligingsdiodes hebben die worden gebruikt om de ingangen te beschermen, zoals weergegeven in figuur 5. Deze normaal voorwaartse bias bij 0,7 V.
Onder ideale omstandigheden kan dit de microcontroller beschermen. Als de spanning echter groot genoeg is of lang genoeg aanhoudt, kan deze de interne diodes in een kortgesloten positie vernietigen, waardoor de ingangspin ‘breekt’. Erger nog, de ingangspin is nu rechtstreeks verbonden met een stroomrail, dus wanneer de volgende grote spanning op de ingangspin verschijnt, wordt deze rechtstreeks naar de stroombus overbrugd, wat grote schade aanricht aan de hele microcontroller en deze hoogstwaarschijnlijk nog verder beschadigt. .
Zelfs als de diodes niet worden vernietigd, kan een grote ESD-piek een stroomstoot door de voedingsbus van de microcontroller veroorzaken, wat interne registers en instellingen kan beschadigen, wat tot onvoorspelbaar gedrag kan leiden. Met dit alles in gedachten wordt de eerste poging om de ingangspin te beschermen gevonden binnen de stroomlimiet.
Stroom beperking
Het eenvoudigste beveiligingsmechanisme is een stroombegrenzende weerstand, zoals weergegeven in afbeelding 6. De ingangsweerstand is zo gedimensioneerd dat de spanningsval erover geen invloed heeft op de spanning aan de ingang van de microcontroller. Omdat dit een eenvoudige spanningsdeler is en de ingangsweerstand in de controller ongeveer 20 MΩ bedraagt, kan deze weerstand behoorlijk groot zijn. Voor de meeste digitale ingangen ligt een goede waarde tussen 100 Ω en 10 kΩ. Voor ons systeem wordt een waarde van 1 kΩ gehanteerd.
Dit type bescherming werkt goed voor korte draadverbindingslengtes en gesloten draadtrajecten (weinig kans op EMI, enz.). Figuur 7 laat zien hoe dit circuit werkt om de beveiliging te implementeren. In Figuur 7 zijn de rinkelranden van de geïnduceerde spanning afgekapt op -0,810 V.
Filteren
Figuur 6 toonde een eenvoudig stroombegrenzingscircuit. Met de toevoeging van een condensator kan echter meer bescherming worden toegevoegd door het stroombegrenzingscircuit in een eenvoudig laagdoorlaatfilter te veranderen, zoals weergegeven in afbeelding 8.
Bij dit type circuit moet wat meer aandacht worden besteed aan de componentselectie. Vanwege de frequentiebegrenzende eigenschappen van de schakeling in figuur 8 moeten de waarde van de weerstand en de condensator zo worden gedimensioneerd dat de microcontroller geen enkel signaal mist. De eenvoudige vergelijking hieronder kan worden gebruikt om de waarde van de weerstand en de condensator te bepalen.
Gebruik de volgende stappen om de waarde van R en C te berekenen:
- Zoek de snelste flank van het binnenkomende signaal – of bepaal de snelste frequentie van het binnenkomende signaal en ga uit van een flanksnelheid van 1/100ste van de ingangsperiode (een ingangsfrequentie van 1 kHz heeft een flank van 10 µs).
- Selecteer ‘R’. Meestal kan dit worden geselecteerd op een gemeenschappelijke waarde die al in het systeem aanwezig is, zoals 1 kΩ.
- Gebruik de vergelijking in Figuur 9 om de waarde van ‘C’ te bepalen.
- In sommige gevallen is het ingangssignaal een zeer langzaam bewegend signaal (indrukken van een knop, sluiting van de schakelaar, enz.), dus de waarde van 'C' kan vervolgens worden gewijzigd om overeen te komen met een gemeenschappelijke waarde op het bord, zolang de volgorde van omvang behouden blijft.
Zoals weergegeven in afbeelding 8 zijn de waarden voor R en C 1 kΩ en 0,01 µF (aangenomen dat de maximale ingangsfrequentie 1 kHz is). Figuur 10 laat zien hoe dit circuit werkt met het ingangsschakelaarcircuit. Merk op hoe de overshoot-randen nu verdwenen zijn vergeleken met figuur 7. Dit is het effect van de condensator.
Een bijkomend voordeel van het RC-filtercircuit voor een digitale ingang is dat het ook valse/snelle ingangen afwijst die valse metingen op de microcontroller zouden kunnen veroorzaken. Helaas kunnen er bij grote ESD-gebeurtenissen en lange draadtrajecten nog steeds spanningspieken in de microcontroller optreden, omdat het circuit afhankelijk is van de clipping-werking van de interne diodes. Dit leidt tot de volgende aanpak.
Externe clippingdiodes
Om het gebruik van de interne diodes van de microcontroller te elimineren, kunnen externe Schottky-clippingdiodes worden gebruikt. Dit wordt weergegeven in figuur 11. Schottky-diodes worden geïmplementeerd omdat ze geleiden vóór de interne diodes van de microcontroller (Schottky-diodes hebben een voorwaartse bias van ongeveer 0,2 V, in tegenstelling tot de 0,7 V van de interne diodes). Merk op dat er een kleine serieweerstand wordt gebruikt om de Schottky-diodes tegen overstroom te beschermen. Omdat deze diodes maar kort branden, werkt een kleine weerstand goed; iets in de orde van 10 Ω werkt meestal prima. Als alternatief kan de weerstand van 10 Ω worden weggelaten als de Schottky-diodes krachtig genoeg zijn om korte, hoge stroompulsen te verwerken. Tekst volgt spoedig