Jste zde

Robustnost není prázdný pojem. Zvyšuje odolnost a zklidňuje spánek

Jan Robenek, 7. Leden 2014 - 0:00

Článek zmiňuje vybrané faktory, ovlivňující odolnost zapojení v náročných podmínkách, typicky těch průmyslových, a možnosti jak účinně „naložit“ s přechodovými jevy či elektrostatickými výboji, které podle odhadů stojí každoročně za škodami ve výši miliard dolarů.

Jaký je rozsah pracovních teplot, s jak vysokým elektrickým rušením se budeme muset vypořádat a co třeba taková ochrana před elektrostatickými výboji či obecně nějakou poruchou? Takové otázky nepatří při výběru vhodného integrovaného obvodu zákonitě k prvním věcem, které bude vývojář zkoumat. Odolnost (nebo chcete – li robustnost) návrhu s polovodiči nicméně patří ke klíčovým faktorům spolehlivého a poctivě navrženého koncového produktu, který logicky podmíní i jeho dlouhodobou provozuschopnost. Platit to bude zejména v případě návrhu systémů, určených do průmyslového „podnebí“, každodenně stiženého drsnými provozními podmínkami. Průmyslová elektronika bývá vystavována širokému rozpětí teplot, značnému elektrickému rušení po napájecích vodičích nebo též datových linkách a také řadě „poruch“ v čele s elektrostatickými výboji či zkraty.

Současný teplotní standard pro integrované obvody v průmyslových podmínkách činí de facto -40 °C až +85 °C a je tak ve srovnání s tím dřívějším, v podobě rozsahu od -40 °C až do +70 °C, „posílen“ o dalších +15 °C. Průmyslový trend v podobě dalšího rozšiřování teplotní způsobilosti se však nezastavil, zejména když pak ve spojitosti s automobily pracujeme s -40 °C až +125 °C. Vyšší proudové odběry a také hustoty výkonu tlačí výrobce integrovaných obvodů k návrhu struktur se širším teplotním rozsahem. Pokud to nezvládnou, vyřadí se jednoduše ze hry.

Přechodové jevy nemají šanci

Na napájecích vodičích se s napěťovými přechodovými ději setkáváme docela často. Příčinou může být nevhodná elektroinstalace nebo též nepředvídané zkraty. Nebudou – li pak naše vstupy chráněny, může dojít k poškození dále připojených obvodů (downstream, doslova „po proudu“). K ochraně před většinou takových stavů se běžně používalo jednoduché zapojení z diskrétních součástek dle obr. 1, složené ze sériově zapojené pojistky spolu s diodou TVS (transient-voltage suppressor).

Obr. 1: Ochrana pro případ napěťových přechodových jevů, složená z několika součástek

Ochrana, složená z diskrétních prvků, však brzy naráží na své mantinely. Prahovou úroveň diody TVS často nemáme plně pod kontrolou a ještě se nám může docela výrazně měnit s teplotou. Po výskytu kritického přepětí bude kromě toho nutné fyzicky vyměnit pojistku. A aby toho nebylo málo, velké přechodové jevy si budou „žádat“ velké ochranné prvky TVS, které pak zabírají místo na desce plošných spojů a generují další teplo.

V řadě případů, ve kterých se musíme vyrovnat s přepětím a souvisejícími přechodovými ději, proto bude výhodnější nechat výrobce zapracovat ochranné prahové úrovně spolu s reakčními prvky rovnou do integrovaného obvodu. Aby pak bylo možné pokaždé zajistit spolehlivou reakci, setkáváme se v řadě dohledových a také ochranných IO s interními komparátory a také diodami. Některé z nich zahrnují ochranu datových linek pro případ vyššího napětí a, to aby nedošlo v případě překročení běžných napěťových úrovní na datových linkách k jejich poškození, zablokují se.

Jedním z příkladů výše zmíněného je též rodina multiplexerů MAX4708 od společnosti Maxim Integrated. Obvody MAX4708 a také MAX4709 (http://www.maximintegrated.com/MAX4708) přichází se dvěma detektory pro případ poruchy, jedním na vyšší straně napájení (high-side) pro napětí na vývodu NO_ nad kladnou napájecí hladinou V+ a druhým detektorem na nižší straně napájení (low-side) pro napětí NO_ pod úrovní napájení záporného, V-, viz také obr. 2. Ke splnění chybové podmínky pak dochází v případě, že napětí na NO_ překročí kterékoli napájení. Oba FETy, označené zde jako N1 a P1, pak budou vypnuté – došlo k rychlému rozpojení vstupu a výstupu spínače.

Obr. 2: Vnitřní zapojení obvodů MAX4708 a MAX4709

Přechodová napětí lze v datových systémech řešit též s využitím transceiverů RS-485. Vstup receiveru a také výstup driveru zde může být vystaven výrazně vyšším napětím než rozsahu -7 V až +12 V (common-mode) dle specifikace EIA/TIA-485 pro průmyslové systémy. Moderní transceivery jsou proto navrhovány tak, aby zmíněná přepětí bez potíží ustály – např. až ±80 V vůči zemi. Robustní ochrana, podřízená dlouhé životnosti, není zatížena kompromisy.

ESD, VCC a IEC

Integrované ESD struktury chrání integrovaný obvod před zničením elektrostatickými výboji (Electrostatic discharge, ESD) a napomáhají tak k dosažení ještě vyšší robustnosti celého systému. Právě ty se, coby další z přepěťových stavů, vyskytují při kontaktu dvou materiálů s různými elektrickými potenciály, kdy dochází k transferu statického náboje a generování jiskry. V řadě případů za ní může stát běžná interakce člověka s jeho okolím (na HW.cz čtěte Jak na ESD? Místo aviváže raději uzemněte antistatický plášť).

Byť neúmyslně vyvolaný výboj však může změnit vlastnosti polovodičových prvků, které tak znehodnocuje, příp. též rovnou a bez slitování ničí. ESD je prostě závažný problém, který podle některých odhadů každoročně stojí za škodami ve výši miliard dolarů. Způsobuje selhání dílčích součástek, ale též systémové poruchy katastrofických rozměrů.

K ochraně datových linek lze využít externích ESD diod a také dalších typů zapojení s diskrétními prvky. Spousta integrovaných obvodů má již určitý stupeň ESD ochrany zapracován přímo z výroby a pro samotný čip si tak již nežádá žádnou další vnější ochranu. Na obr. 3 vidíme velmi zjednodušeně funkční zapojení obvyklé vestavěné ochrany. Napěťové špičky na signálových vstupech a výstupech (I/O) budou „staženy“ k napájecímu napětí VCC či zemi a vnitřní struktury tak mohou být chráněny. Spousta obvodů pro podporu rozhraní nebo třeba analogové spínače pak zapracovávají ESD ochranu, vyhovující standardům IEC 1000-4-2.

Maxim Integrated nedávno dosáhl se svým transceiverem PROFIBUS RS-485, obvodem MAX14770E, úrovně ESD modelu lidského těla (Human Body Model, HBM) ±35 kV. Na HW serveru jste mohli číst Transceiver pro RS-485, viz také článek Návrh PLC očima vývojáře – 7. část (Průmyslová sběrnice – příklady).

Obr. 3: Zjednodušené zapojení integrované ESD ochrany

Třebaže tzv. robustnost pokrývá celou řadu návrhových otázek, od rozsahu provozních teplot přes ochranu linek až po ESD a řešení krizových situací a poruch, např. zkratů, nebývá zpravidla tím prvním, na co bude vývojář myslet. A to je špatně. Průmyslové aplikace totiž vyžadují dostatečně odolná řešení a tudíž i součástky, které s přehledem ustojí „nástrahy“ drsných provozních podmínek. Zvážit vše potřebné se tak vyplatí již v rané fázi vývoje, minimálně však dříve než už bude příliš pozdě.