Cuando los buenos electrones se vuelven malos: cómo proteger su interfaz analógica

El propósito de este artículo es ayudar a los diseñadores de sistemas a comprender los diferentes tipos de sobrecarga eléctrica (EOS) y cómo puede afectar su sistema. Aunque este artículo se enfoca en tipos específicos de esfuerzos eléctricos que ocurren en los sistemas, la información aún puede aplicarse a una variedad de situaciones.

Este tema es importante porque sin la protección adecuada, EOS puede degradar el rendimiento o incluso destruir los mejores circuitos.

¿Qué es EOS?

EOS es un término general que describe un sistema con demasiados electrones tratando de encontrar su camino a través de su circuito. Es importante recordar que esta es una función de poder y tiempo.

Puede ser útil abstraer un circuito complejo en un componente simple que disipa energía, como una resistencia. Coloque 1,1 V en una resistencia de 1 Ω nominal de 1 W y resuelva la ecuación para la potencia,

nos dice que se disipan 1,21 W. Aunque la resistencia tiene una potencia nominal de 1 W, es probable que haya algo de margen incorporado, por lo que es posible que pueda salirse con la suya por un tiempo. Aunque probablemente no para siempre.

¿Qué hay de aumentar el voltaje a 2V? El dinero inteligente de esta resistencia actúa como un calentador de respaldo durante un período de tiempo muy limitado, ya que se disipa cuatro veces más que en el ejemplo anterior; recuerde: 198837_Ecuación2

¿Qué sucede si eleva este voltaje a 10 V, pero solo durante 10 ms? Aquí es donde las cosas se ponen interesantes: no hay forma de saber realmente los efectos en la habitación sin comprenderla y saber para qué está diseñada. Ahora podemos aplicar este conocimiento a un sistema completo de componentes.

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¿Qué es sensible a EOS?

En general, cualquier cosa con electrónica es susceptible a EOS. Las partes en riesgo particular son aquellas que interactúan con el mundo exterior, ya que es probable que sean las primeras en ver descargas electrostáticas (ESD), rayos, etc. Nos interesan cosas como puertos USB, interfaces analógicas para osciloscopios y el puerto de carga para los últimos mezcladores IoT de alto rendimiento.

Figura 1. Forma de onda de corriente de descarga de contacto idealizada a 8 kV.

¿Cómo sabes de qué protegerte?

Si bien sabemos que queremos proteger un sistema de sobrecargas eléctricas, este término es demasiado amplio para ser útil al momento de decidir cómo proteger nuestro sistema. Es por eso que la buena gente de IEC (y muchas otras organizaciones) han trabajado arduamente para descubrir qué tipos de EOS es probable que tengamos en el mundo real. Nos centraremos en las especificaciones IEC, ya que cubren una amplia gama de aplicaciones de mercado y su confusión requiere esta publicación. La Tabla 1 muestra tres de las especificaciones que definen directamente el tipo de condiciones EOS que puede encontrar un sistema. Aunque aquí solo se analiza en profundidad ESD, debemos estar familiarizados con los transitorios eléctricos rápidos (EFT) y las sobretensiones.

Figura 2. Formas de onda eléctricas transitorias rápidas Nivel 4 según IEC61000-4-4.

Tabla 1. Especificaciones IEC
especificaciónTérmino abreviadoAnálogo de la vida realRasgos
CEI 61000-4-2Descarga electrostática (ESD)Descarga estáticaVoltaje más alto, duración más corta, disparo único
CEI 61000-4-4Transitorios eléctricos rápidos (EFT)Componentes de conmutación externos (por ejemplo, puntas de inducción del motor)Alto voltaje, corta duración, choques repetitivos
CEI 61000-4-5sobretensiónRayo, conmutación de sistemas de transmisión de energía (p. ej., convertidores elevadores)Alto voltaje, la distancia más larga

¿Las personas que hicieron los circuitos integrados ya no protegían los chips contra descargas electrostáticas?

La respuesta insatisfactoria a esta pregunta es sí y no. Sí, estos chips están diseñados para manejar ESD en situaciones en las que se manipulan para la fabricación, no en situaciones en las que están en sistemas y reciben alimentación. Esta distinción es muy importante porque cuando un amplificador está alimentado, puede comportarse de manera diferente cuando está expuesto a la electricidad estática que si no estuviera conectado a nada. Por ejemplo, los diodos de protección internos pueden disipar un impacto de ESD en una parte sin alimentación. Sin embargo, la descarga electrostática en una parte alimentada puede hacer que las estructuras internas conduzcan más corriente de la que están diseñadas para transportar. Esto puede hacer que la pieza se inmole dependiendo de la pieza y la tensión de alimentación.

¡Esta es una emergencia internacional! ¿Cómo puedo proteger mis circuitos integrados favoritos de esta amenaza que se avecina?

Como puede comprender, hay tantos aspectos en este desafío que no se puede aplicar una solución simple en todas las situaciones. Aquí hay una lista de factores que determinarán si una moneda EOS sobrevive. Se divide en dos grupos: factores fuera de nuestro control y factores que podemos controlar.

  • Forma de onda IEC: ESD, EFT y sobretensión tienen perfiles muy diferentes, por lo que explotarán ciertas debilidades en los dispositivos que golpean de manera diferente.
  • Tecnología de proceso del dispositivo considerado: Algunas tecnologías de proceso son más vulnerables al bloqueo que otras. Por ejemplo, los procesos CMOS son propensos a bloquearse, pero existen formas de mitigar este riesgo mediante un diseño cuidadoso y el aislamiento de zanjas que se usa en muchos procesos modernos.
  • Estructuras internas del dispositivo bajo consideración: hay tantas formas de diseñar circuitos integrados que un esquema de protección que funciona para otro no funcionará. Por ejemplo, muchos dispositivos tienen circuitos de temporización que activarán estructuras protectoras si se detecta una forma de onda lo suficientemente rápida. Esto puede significar que un dispositivo que sobrevivirá a una descarga de ESD puede no sobrevivir si agrega suficiente capacitancia a la ubicación de la descarga. Esta respuesta es contraria a la intuición, pero es muy importante entenderla: un método común de protección de circuitos, un filtro RC, puede empeorar el problema.

Figura 3. Sobretensión IEC 61000-4-5 normalizada a una forma de onda de corriente de 8 μs/20 μs.

  • Diseño de la placa de circuito: cuanto más cerca estén sus componentes de su posición de impacto, es más probable que vean una forma de onda de mayor energía. Esto se debe a que, a medida que la forma de onda incidente viaja a lo largo de una ruta, la forma de onda disipa energía: en EMI que irradia desde la ruta de la forma de onda, el calor se debe a la resistencia de la ruta y al acoplamiento capacitivo e inductivo parásito a los conductores cercanos. .
  • Circuito de protección: aquí es donde podemos tener el impacto más significativo en la durabilidad del dispositivo. Los aspectos anteriores sobre los que no tenemos control informarán cómo diseñamos un sistema de defensa.

Tiene las funciones de protección contra sobrevoltaje (OVP) y sobre la parte superior (OTT). ¿Qué tal usarlos para protegerme de transitorios de alto voltaje?

¡No es! No hagas eso. No es Buena idea. Las funciones OVP y OTT permiten entradas a una pieza para ver voltajes mayores que los voltajes de suministro sin dañar la pieza. Es como confiar en las botas de lluvia para protegerse contra la presión. Las botas de lluvia son para estanques menos profundos que su altura, al igual que OVP y OTT para voltajes por debajo de su clasificación. El voltaje nominal de OVP y OTT es del orden de decenas de voltios a través de un riel de suministro dado. No ayudará contra ocho mil voltios.

¿Cómo sé qué circuito de protección funcionará?

Al usar una combinación de conocimiento, experiencia y pruebas de dispositivos, podemos tener una idea razonable de qué componentes son los mejores para usar en nuestro sistema. Ya que existe una vertiginosa lista de componentes de protección que ofrecen los fabricantes diferente para mantener las cosas manejables, discutiré solo dos esquemas de protección de circuitos que han demostrado ser efectivos en la protección de avance analógico. Los siguientes diagramas asumen un amplificador operacional en configuración de búfer. Se cree que esta es la prueba de protección más dolorosa porque la entrada no invertida ve todo el golpe sin otras áreas a las que pueda ir la energía (antes de que se instale la protección).

Figura 4. Representación del circuito en la prueba IEC-61000-4-2.

  • R1 debe ser una resistencia de impulso (película gruesa) para que no se descomponga tan fácilmente contra los cruces de alto voltaje.
  • El ruido de voltaje R1 es proporcional a la raíz cuadrada del valor de la resistencia, lo que es importante si el sistema debe tener poco ruido.
  • C1 debe ser un capacitor cerámico con un tamaño de caja de al menos 0805 para mitigar los arcos superficiales en la caja.
  • C1 debe tener un coeficiente de temperatura de al menos X5R (idealmente C0G/NP0) para mantener una capacitancia predecible.
  • C1 debe tener una inductancia y una resistencia en serie lo más bajas posible para que pueda absorber el golpe de manera efectiva.
  • C1 debe tener una clasificación de voltaje lo más alta posible (mínimo 100 V) para el tamaño de caja en particular.
  • C1 está antes que R1 en este caso porque forma un divisor capacitivo con el capacitor de 150 pF (de la Figura 5) liberando la forma de onda ESD en nuestro sistema, desviando la energía antes de que el amplificador la vea.

Figura 5. Protección de entrada con filtro paso bajo en la entrada analógica.

Esquema de protección de red RC
VentajasDesventajas
Barato (~5 centavos)R1 introduce ruido térmico
pequeña huella de pieLa red RC limita la velocidad
Fuga mínimaNecesidad de caracterizar cuidadosamente el condensador.
No es tan robusto contra pulsaciones de teclas repetidas.

Nota: Aunque este método de protección inicial no está respaldado por los fabricantes de condensadores, su eficacia se ha demostrado en cientos de pruebas de amplificadores. El perfil de prueba de ESD (que se explica a continuación) solo se ha probado en una gama limitada de productos de capacitores, por lo que si se utilizan diferentes productos, es importante definir cómo manejan los impactos, por ejemplo, midiendo la capacitancia y la resistencia en serie antes y después de los impactos de ESD. . El dispositivo debe conservar la capacidad y permanecer abierto a las frecuencias de CC después del abuso.

  • Lo mismo con la red RC: R1 debe ser resistente a pulsos y es posible que se deba tener en cuenta el ruido.
  • Se debe especificar D1 para cumplir con los estándares. Es posible que algunos solo cubran ESD, mientras que otros cubran EFT y estándares de sobretensión.
  • D1 debe ser bidireccional para que pueda manejar pulsaciones de teclas tanto positivas como negativas.
  • El voltaje de funcionamiento inverso D1 debe elegirse para que sea lo más alto posible mientras se realizan las pruebas necesarias. Una corriente demasiado baja y de fuga puede ocurrir durante los niveles normales de voltaje del sistema. Demasiado alto y es posible que no reaccione antes de que el sistema se dañe.

Pero escuché muchas fugas de diodos TVS y eso arruinaría mi desempeño.

De acuerdo con la sabiduría común en electrónica analógica, los diodos TVS tienen fugas y, por lo tanto, no se pueden usar en interfaces analógicas de precisión. Esta no es necesariamente la sabiduría: muchas hojas de datos mostrarán una corriente de fuga <100 µA, que es lo suficientemente alta para la mayoría de las personas analógicas. El problema de este número es que se toma a la máxima tensión de funcionamiento a la máxima temperatura (150°C). En este caso, el diodo estará extremadamente apretado. Todos los diodos tienen fugas significativamente por encima de los 85°C. Siempre que se elija un diodo TVS con un voltaje de trabajo inverso más alto y no se espere una fuga baja por encima de los 85 °C, se pueden esperar corrientes de fuga mucho más débiles.

Figura 6. Protección de entrada con un diodo TVS en una entrada analógica.

Esquema de protección de la red TVS
VentajasDesventajas
Barato (20 a 30 centavos)R1 introduce ruido
pequeña huella de pieD1 tiene corriente de fuga
muy fuerteD1 tiene una capacitancia (5 pF a 300 pF)

Es posible que se sorprenda de las pocas fugas que hay en un televisor si elige una correctamente. La Figura 7 muestra los datos tomados al medir la fuga de 12 diodos TVS con el mismo número de pieza:

Figura 7. TVS 36V - Fuga de diodo bidireccional Bournes T36SC con placa de evaluación ADA4530 en TIA con blindaje y resistencia de 10G a 25 °C.

De los 12 diodos TVS medidos, el peor infractor tuvo 7 pA de fuga en la polarización de 5 V CC. Esto es más de 10 millones de veces mejor que el peor de los casos en la hoja de datos. Por supuesto, hay variaciones de lote a lote de diodos TVS en términos de fugas, pero esto debería darle al menos un orden de magnitud de lo que puede esperar. Si nuestro sistema no tiene una temperatura superior a 85°C, un diodo TVS puede ser una buena opción. No olvide caracterizar las fugas si elige productos distintos de los específicamente probados aquí. Lo que puede ser cierto para una pieza o fabricante puede no serlo para otro.

Se probó una serie de amplificadores operacionales utilizando estándares IEC ESD. La Tabla 2 muestra los esquemas de protección que protegen los componentes. Aunque el estándar ESD es de tres disparos a ±8 kV, todos estos esquemas se han cambiado a 100 disparos a ±9 kV para proporcionar un margen de protección adecuado.

Tabla 2. Lista de dispositivos y sus respectivas configuraciones de protección que han pasado IEC-61000-4-2
ProductoCaracterísticas, ancho de bandavalores protegidos
R (Ω)C (pF)D (V_WM)
AD823Entrada FET220100
16 MHz6836
4077 d.C.Bajo nivel de ruido, precisión220100
3,9 MHz6836
AD4084ruido bajo220100
15,9 MHz6836
4522 d.C.Bajo nivel de ruido, precisión220100
2,7 MHz6836
4528 d.C.Bajo nivel de ruido, precisión220100
3MHz6836
4610 d.C.Bajo nivel de ruido, precisión220100
15,4 MHz6836
AD4622Bajo nivel de ruido, precisión220100
8MHz6836
4625 d.C.Bajo nivel de ruido, JFET220100
18 MHz6836
AD4661Precisión220100
4MHz6836
LT1490Micro poder220100
200kHz6836
LT6016Baja potencia, precisión, OTT220100
3,2 MHz6836
LT6018Bajo nivel de ruido, precisión220100
15 MHz6836
LT1636Micropoder, OTT220100
200kHz22036
LT1638Micropoder, OTT220100
1,1 MHz6836
LT1494Micropotencia, precisión, OTT220100
100 Hz6836

Los estándares IEC requieren que la tierra de la fuente ESD esté conectada a la tierra del amplificador a través de dos resistencias de 470 kΩ en paralelo con una capacitancia de 30 pF. Esta configuración de prueba fue más severa porque la tierra de la fuente ESD estaba conectada directamente a la tierra del amplificador. Estos resultados también se validan en el esquema de acoplamiento a tierra IEC descrito para mayor confianza. Tenga en cuenta que, dado que los amplificadores tienen estructuras internas muy diferentes, lo que funciona para los dispositivos de esta lista puede o no funcionar para otros. Se recomienda que si se utilizan otros dispositivos o componentes de protección, se prueben exhaustivamente.

  • Resistencia: Panasonic serie 0805 ERJ-P6
  • Condensadores: Yageo 0805 100V C0G/NPO
  • Diodos TVS: Bourns CDSOD323-T36SC (bidireccional, 36 V, baja fuga, clasificado para ESD, EFT, estándares de sobretensión)
  • Varistores ESD: Serie MLA Bourns, 0603 26V

Componente adicional: varistores ESD

Los diodos TVS funcionan muy bien y se pueden activar un número indefinido de veces. Esta característica es excelente para EFT y sobretensiones, pero si solo desea protección ESD, observe los transformadores ESD: son resistencias de valor muy alto hasta que ven algo de voltaje, luego entran en resistencias de valor bajo y derivan energía a través del varistor.

Se utilizan en la misma configuración que los diodos TVS. Tienen menos fugas y cuestan menos de la mitad de un diodo TVS. Tenga en cuenta que no están diseñados para recibir cientos de golpes y que su resistencia disminuirá con cada golpe. Los variadores ESD también se probaron en el producto anterior y funcionaron mejor cuando la resistencia de la línea era aproximadamente el doble del valor que habría tenido si se hubiera aplicado un diodo TVS.

¿Qué pasa con EFT y boom?

Estos productos han sido probados únicamente según los estándares de ESD. EFT es único en el sentido de que los golpes golpean en ráfagas (5 kHz o más) y con un tiempo de subida más lento (5 ns) aunque los voltajes no son tan altos (4 kV o menos). Surge tiene aproximadamente 1000 veces más energía por golpe que EFT, pero es 1/1000mi tan rápido como la forma de onda. Si también necesita cubrir estos estándares, asegúrese de que los componentes de protección digan que pueden manejarlo en sus hojas de datos.

Resumen de protección de circuitos

Aunque colocar un filtro RC o un diodo TVS en un circuito parece una idea de último momento, tenga en cuenta todas las demás cosas mencionadas en este artículo que afectarán el rendimiento y el nivel de protección del sistema. Esto incluye el diseño, las partes utilizadas en el frente y el estándar IEC que se debe cumplir. Tener esto en cuenta desde el principio puede aliviar el rediseño de emergencia durante la fase final del diseño de su sistema.

Este artículo está lejos de ser una descripción completa. El tema de la sensibilidad se tratará con más profundidad en nuestros siguientes artículos. Además, otros desafíos en el diseño del receptor de la estación base incluyen el control automático de ganancia (AGC), la estimación del canal y los algoritmos de ecualización. Planeamos seguir este artículo con una serie de artículos técnicos para simplificar su proceso de diseño y mejorar la comprensión de su sistema receptor.

Referencias

El autor agradece a la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) por el permiso para reproducir información de sus estándares internacionales. Todos estos pasajes son propiedad de la CEI, Ginebra y Suiza. Reservados todos los derechos. Más información sobre IEC está disponible en iec.ch. El IEC no se responsabiliza por la ubicación y el contexto en el que el autor reproduce extractos y material, y el IEC no es de ninguna manera responsable por el otro material o su precisión.

IEC 61000-4-2 ed.2.0
Derechos de autor © 2008 CEI Ginebra, Suiza. www.iec.ch

IEC 61000-4-4 ed.3.0
Derechos de autor © 2012 CEI Ginebra, Suiza. www.iec.ch

IEC 61000-4-5 ed.3.1
Derechos de autor © 2017 CEI Ginebra, Suiza. www.iec.ch

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