Это последняя статья небольшого цикла о защитных диодах. Мы уже знаем, как устроены и работают TVS диоды , от чего они защищают, основные параметры, некоторые правила выбора диодов. Но мы пока не касались вопросов монтажа защитных диодов в устройстве.
Если вы еще не прочитали предыдущие статьи, то советую сделать это сейчас
Монтаж TVS диодов
Есть общее правило - размещать цепи подавления помех как можно ближе к источнику их возникновения. Выбросы/перенапряжения это тоже помехи, но со своими особенностями, которые мы рассматривали в первой статье цикла. Если опасные выбросы создаются какими либо узлами самого устройства, то выбрать место установки TVS диода относительно просто. Но гораздо чаще требуется защита от неприятностей, источник которых находится вне устройства. Более того, часто даже нельзя сказать конкретного про этот источник неприятностей.
Тем не менее, общее правило остается верным. Просто защитный диод нужно размещать как можно ближе к месту подключения внешних цепей. Но одного этого недостаточно. Что бы во всем разобраться, нужно рассматривать путь тока выброса. Причем нужно учитывать параметры цепи, которые часто упускают из виду
Учет сопротивления соединительных проводников, дорожек печатной платы, выводов TVS диода, может показаться излишним. Но ток выброса, который протекает через открытый супрессор, может быть большим, мы это рассматривали в предыдущих статьях. Большой ток создает большое падение напряжения даже на малом сопротивлении проводника. Кроме того, импульсы тока достаточно короткие, причем время нарастания мало. Поэтому мы не можем игнорировать и индуктивность соединительных проводников и выводов. Любой проводник обладает еще и емкостью, как и супрессор, но я не стал показывать это на иллюстрации.
Может показаться, что сопротивление проводников между внешней цепью и защищаемой цепью не оказывает вредного влияния на работу цепи защиты, но это не совсем так. Обладающий высоким сопротивлением проводник, скорее всего, тонкий. Поэтому может разрушиться от импульса тока выброса.
Таким образом мы получаем первое уточнение к общему правилу: Соединительные проводники должны быть как можно более короткими и обладать достаточным сечением, что бы выдержать импульс тока выброса. Для печатной платы это означает достаточную ширину дорожки.
Но рассмотрим внимательнее выводы супрессора, которые тоже обладают сопротивлением и индуктивностью. О влиянии сопротивления мы уже знаем. А индуктивность дополнительно ограничивает скорость нарастания тока через супрессор. В результате, мы получим вот такой эффект (форма напряжения между точками А и Б на иллюстрации)
На самом деле, этот выброс напряжение (для кривой синего цвета) при срабатывании супрессора есть всегда. Он обусловлен не только влиянием индуктивностей, но и конечным временем открывания супрессора. Время открывания очень мало (от нескольких пикосекунд до наносекунд) и его сложно увидеть осциллографом. Но влияние паразитной индуктивности может заметно увеличить его длительность и амплитуду. А паразитное сопротивление увеличит напряжение ограничения, что особенно неприятно для низковольтных цепей.
Таким образом мы получаем второе уточнение к общему правилу: длина выводов TVS диода (между кристаллом и точкой включения в схему) должна быть минимальной. Не стоит включать супрессор с использованием дополнительных проводников, которые значительно увеличат паразитную индуктивность.
Но это еще не все. Значительная амплитуда тока выброса порождает не менее значительную электромагнитную помеху. Эта помеха не приведен к выходы компонентов схемы из строя, но может нарушить работу устройства, например, установив в запрещенное состояние последовательностный автомат.
И у нас появилось еще одно уточнение: путь тока выброса должен быть как можно более коротким. Может показаться, что это уточнение излишнее, так как оно просто дублирует основное правило и предыдущие уточнения, но это не так.
Как это выглядит на практике
Что бы все это стало немного понятнее, давайте посмотрим на очень простой пример. Фрагмент печатной платы с разъемом, который используется для подключения внешних цепей, двумя супрессорами, которые используются для защиты микросхемы. При этом нам не важно, какие именно супрессоры используются и какая микросхема. Начнем с примера того, как ДЕЛАТЬ НЕ СТОИТ
Средний вывод разъема используется для подключения общего провода, а два крайних для подключения сигнальных цепей. Защищаемая микросхема стоит на удалении от разъема. Супрессоры тоже размещены на удалении от разъема. Насколько они близко к микросхеме не столь важно.
Что здесь неправильного? Самое главное - супрессоры установлены далеко от разъема, что увеличивает длину пути тока выброса. Это увеличивает уровень помех и повышает вероятность выгорания дорожек. При этом, расстояние от выводов супрессоров до сигнальных цепей мало, что уменьшает паразитные индуктивности. То есть, микросхема оказывается защищенной. Но есть еще один момент, который заметить не так просто. Дело в том, что здесь длинная дорожка общего провода по которой протекает ток выброса! Поэтому, во время выброса, потенциал "земли" на разъеме и на микросхеме оказывается разным. На величину падения напряжения от тока выброса на сопротивлении этой дорожки. И величина такого "подскока" уровня "земли" на микросхеме может быть довольно существенной. Поэтому, кроме электромагнитной помехи из-за длинных дорожек, мы получаем еще и чисто электрическое влияние тока выброса.
Теперь пример еще более плохого размещения супрессоров, хотя общее правило кажется соблюденным
В данном случае, супрессоры размещены гораздо ближе к разъему, что соответствует общему правилу. Но вот выводы супрессоров подключены к сигнальным цепям длинными дорожками. Паразитная индуктивность этих дорожек значительна, что приводит к увеличению амплитуды и длительности паразитного выброса ограниченного супрессором импульса. Теперь вероятность выхода микросхемы из строя значительно выше.
Давайте справим эти грубые ошибки. Мы получим довольно распространенный вариант установки супрессоров и трассировки платы. Такое можно увидеть на многих печатных платах
Теперь и супрессоры размещены у самого разъема, и длина дорожек между разъемом и супрессорами гораздо меньше. Да, это уже гораздо лучше, но все таки до оптимальности еще далеко. Прежде всего, стоит увеличить ширину дорожек между разъемом и супрессорами. Примерно так
Большая ширина дорожек (это полигоны, а не дорожки) и уменьшает их сопротивление, и снижает вероятность их разрушения большим током. Но можно еще улучшить работу цепи защиты. Обратите внимание, что между средним выводом разъема и выводом (номер 4) микросхемы есть участок дорожки, по которому протекает ток выброса. Да, этот участок имеет малое сопротивление, но тем не менее. Аналогично и для сигнальных цепей.
Мы можем перенести супрессоры на другую сторону печатной платы или разместить их с другой стороны разъема. Например, так
Этот вариант близок к оптимальному. Основное отличие от предыдущего варианта в том, что путь протекания тока выброса теперь не пересекается с путем протекания тока сигнала. Разумеется, это довольно условно, так как остаются неучтенными собственно контакты разъема и соединительные проводники, которые подключают внешние цепи к разъему. Тем не менее, этот вариант является лучшим из всех рассмотренных.
Защита электронных устройств должна быть комплексной
На этом можно было бы завершить этот короткий цикл статей о TVS диодах и их использовании. Я старался рассказать про супрессоры достаточно просто и понятно, не погружаясь слишком глубоко в теорию. Надеюсь, это немного уменьшит количество существующих вокруг них мифов и поможет читателям, которые никогда не сталкивались с супрессорами.
Но очень важно понимать, что защита устройств должна быть комплексной! Супрессор поможет справиться со статическими разрядами, но окажется бессильным против удара молнии, пусть и произошедшего на удалении в несколько километров, если не используются другие защитные элементы. Комплексная защита включает в себя и экранирование, и защитное заземление, и несколько ступеней защиты от перенапряжений. Все определяется требования прикладной задачи и условиями, в которых устройство должно сохранять работоспособность.
Для любительских условий использование супрессоров является достаточно редким. Но даже в любительских конструкциях имеет смысл использовать супрессоры, если устройство подключается к длинным линиям связи или питания. Например, в достаточно популярной (хоть и несколько утратившей "модность") теме "умного дома", когда различные устройства подключаются проводами. Да, все это внутри дома, но гроза может доставить немало неприятностей. Тем более, цепи защиты надо предусматривать для автоматики садово-огородной. Не стоит игнорировать супрессоры и при изготовлении устройств, которые будут использоваться в автомобиле.
Сложность представляет не сам выбор супрессоров, а построение цепи защиты, которая будет надежно защищать устройство. При этом выход из строя элементов защиты не должен приводить к ухудшению защиты. Заменить пробитый супрессор гораздо проще и дешевле, в большинстве случаев.
Но самым сложным является определение параметров выбросов, так как параметры собственно источника выбросов известны редко. Решить эту проблему помогают те самые "типовые модели", которые я уже упоминал в первой статье цикла. Например, "модель человеческого тела", которая используется в защите от статических разрядов. Для многих других прикладных областей есть свои нормативные документы. Например, RTCA/DO-160 для авиации. Это международный стандарт, но есть и отечественный документ:
- КТ-160D. Квалификационные требования. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования (Внешние воздействующие факторы). Требования, нормы и методы испытаний
Поскольку для большинства читателей авиация является очень далекой областью, можно привести более "приземленный пример" - автомобильный транспорт
Есть таблицы зависимости наведенного ударом молнии напряжения от расстояния. Есть стандарты для электросвязи. Для энергетики. И для многих других областей. Я физически не смогу их все привести.
Но что делать, если случай не стандартный? Если "генератор неприятностей" находится в самом нашем устройстве или системе? Или мы "хотим странного" используя супрессор для решения каких то специфический задач? Тогда нет другого способа, как проводить все расчеты самостоятельно, строить модели, испытывать макеты. Это самая сложная часть задачи! И лишь получив результаты расчетов можно приступать к выбору супрессора или супрессоров, что покажется сущим пустяком.
Заключение
Этот цикл статей посвящен супрессорам, а не большому и сложному вопросу защиты электронных устройств в целом. Мы не смогли избежать рассмотрения общих вопросов, с этого цикл и начинался. Но огромное количество вопросов осталось "за кадром". Но, надеюсь, теперь вам будет легче с ними разобраться.
