Новый подход защищает от ОУР и высоких энергий

ОТ АТЕИСТА К СВЯТОСТИ (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Преимущества защиты двухступенчатого устройства подавления преходящего тока превосходят преимущества традиционных технологий TVS

По мере того как быстродействующие технологии передачи данных становятся все быстрее и меньше, повышается чувствительность к электростатическим разрядам (ESD) и молниевым перенапряжениям. Теперь, как никогда, требуется надежное и эффективное решение защиты от перенапряжений, которое предотвращает повреждение, но не мешает высокочастотной работе системы. Новая технология подавления переходных токов (TCS) предлагает совершенно новый подход для удовлетворения этих требовательных требований.
Некоторые оценки фактической стоимости ущерба от ОУР для электронной промышленности превышают миллиарды долларов. По данным Института информации о страховании, убытки, вызванные молнией в среднем, увеличились в Соединенных Штатах на 5, 5% по сравнению с прошлым годом, в основном за счет увеличения количества и стоимости бытовой электроники. Молния ставит страховщиков в среднем на 5 112 долларов США в 2011 году по сравнению с 4 846 долларами в предыдущем году. Из-за этих высоких затрат и потенциального ущерба для электронного оборудования, как никогда важно иметь адекватную защиту цепи для высокоскоростных приложений данных.
В этой статье рассматривается обычная одноступенчатая защита с использованием устройства ограничения напряжения, такого как диод прерывателя переходного напряжения (TVS), и подчеркивается ограничение этого метода защиты. Будет представлен новый подход к защите цепи, который вводит новую технологию TCS. Этот новый подход использует устройства TCS последовательно с защищенной сигнальной линией в двухступенчатой ​​конфигурации вместе с устройством ограничения напряжения. Преимущества эффективности и эффективности защиты этого нового двухступенчатого устройства защиты намного превосходят преимущества обычных технологий TVS.

Одноступенчатая защита цепи
TVS-диоды - это электронные защитные устройства, которые поглощают энергию ESD на интерфейсе дизайна. Основная операция диода TVS показана на рисунке 1 .
Диод TVS обычно появляется как высокий импеданс в нормальном диапазоне рабочего напряжения сигнала, проходящего по линии. Когда перенапряжение на интерфейсе превышает заданный предел, диод TVS становится проводящим, что быстро ограничивает напряжение выше этого безопасного уровня. Идеальный диод TVS создает электрическую характеристику «кирпичной стены», которая не создает помех нормальному сигналу, но все же препятствует достижению напряжением на интерфейсе уровня безопасности.

Рисунок 1: Базовая работа идеального устройства ограничения напряжения.

В действительности характеристики полупроводниковых ТВС-диодов отличаются от характеристик вертикальной характеристики идеального зажимного устройства. Хотя реальный диод TVS демонстрирует высокое сопротивление при более низких напряжениях, так как напряжение увеличивается, конечный ток утечки начинает течь вблизи пробивного напряжения соединения. Это приводит к фактической характеристике зажима, которая намного мягче, чем крутая вертикальная «кирпичная стена», характерная для идеального зажима. Чем больше устройство TVS, тем больше может произойти утечка, что может негативно повлиять на работу схемы, особенно при более высоких температурах. Выбранное напряжение зажима должно быть выше, чем идеально, чтобы учитывать этот мягкий переход в режим зажима. Фактическое напряжение зажима, выбранное для схемы, представляет собой компромисс между достаточно высоким уровнем, который не мешает сигналу, и достаточно низким напряжением для максимальной защиты.
Простое подключение диода TVS между интерфейсом и землей не всегда эффективно защищает низковольтное устройство, управляющее этим интерфейсом. Например, с типичным устройством TVS пиковое напряжение на нем может достигать 20 В во время разряда 11 А. Это далеко за пределами абсолютных максимальных значений многих низковольтных полупроводниковых технологий. Вместо экранирования интерфейсного устройства от перенапряжения диод TVS просто отводит часть энергии, оставляя часть энергии перенапряжения распространяющейся в защищенную цепь. Высокий уровень «пропускаемой» энергии, как ее часто называют, может привести к повреждению оборудования в условиях перенапряжения в суровых или открытых средах, где воздействие высокоэнергетических энергий может быть обычным явлением.

Двухступенчатая защита цепи: новый подход
Устройство TCS представляет собой новый подход к защите цепи, который значительно улучшает уровень защиты при использовании последовательно с защищенной сигнальной линией в двухэтапной конструкции вместе с устройством ограничения напряжения. Характеристики устройства TCS показаны на рисунке 2 . Когда нормальный ток сигнала низкий, устройство TCS ведет себя точно так же, как низкоомный резистор. В условиях перенапряжения и при превышении тока над безопасным уровнем устройство TCS очень быстро переходит в состояние ограничения тока. На рисунке 3 показана конфигурация устройства TCS и символ схемы.

Рисунок 2: Фактическая кривая IV устройства TCS.

Рисунок 3: Реализация устройства TCS в решении защиты цепи.

Устройство TCS добавляет последовательно ограничивающий ток этап с защищенным устройством в дополнение к характеристикам устройства ограничения напряжения, которое помогает снизить напряжение. Напряжение на интерфейсе увеличивается, когда происходит перенапряжение, в результате чего ток течет через устройство TCS. По мере достижения предела тока устройство TCS предотвращает дальнейшее увеличение тока, позволяя увеличивать напряжение между собой. Это обеспечивает очень высокое сопротивление блокированию, так как ток ограничен почти постоянным уровнем. Поскольку ток ограничен, напряжение на защищенном устройстве больше не увеличивается, и оно сохраняется на безопасном уровне. С другой стороны устройства TCS напряжение продолжает расти до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение активации устройства зажима напряжения. Как начало зажима, так и максимальное напряжение зажима напряжения могут быть намного выше, чем ТВС сами по себе, поскольку устройство TCS блокирует это напряжение. Пиковое напряжение зажима может повышаться до максимального номинального напряжения ± 40 В для устройства TCS, что позволяет использовать простые недорогие низкоомные диодные направляющие для большинства применений. Общая производительность этапа защиты, как это испытывает водитель, очень близко напоминает работу идеального зажима «кирпичной стены».
Как следует из названия, устройство TCS напрямую аналогично диоду TVS. Диод TVS ограничивает переходные напряжения, а устройство TCS ограничивает переходные токи. Характеристики устройства TCS, как и пробивной диод TVS, также имеют определенную степень отскока, что приводит к тому, что ток падает примерно на 30% от его максимального значения по мере дальнейшего увеличения напряжения. Этот откат дополнительно улучшает переходную мощность в устройстве TCS и минимизирует напряжение в защищенном устройстве.
Нормальное время отклика для достижения предельной операции составляет менее 50 нс. Скорость токоограничивающей работы устройства TCS идеально подходит для защиты от всех стандартных осциллограмм молнии (1, 2 / 50 мкс, 10/1000 мкс и т. Д.), Включая требования к высокочастотной авионике.
Новые устройства TCS обеспечивают эффективное решение защиты от электростатического разряда и защиты от перенапряжений. В отличие от обычных диодов TVS, улучшенная защита и функциональность не связаны с добавлением емкостных устройств, которые уменьшают пропускную способность и снижают производительность передачи данных. Использование двухступенчатой ​​схемы защиты, которая сочетает в себе текущие предельные свойства устройства TCS с ограничивающими напряжение свойствами диодов или диодов TVS, предлагает более прочное и недорогое решение для защиты цепи без ущерба для производительности схемы.

BY ANDY MORRISH, главный технический директор, Semiconductor Products, Bourns, www.bourns.com