IoT eszközök túlfeszültség elleni védelme 1. rész
A TVS technológia használata – gyors és megbízható állandó védelem a túlfeszültség ellen
Jelen cikkben egy minden elektronikai áramkör számára elengedhetetlen funkció, a túlfeszültség elleni védekezés témakörét járjuk körbe, egy megbízható, a kis méretet támogató, mégis robusztus és a nagy adatsebességet is zavartalanul kiszolgálni képes technológia, a tranziens szupresszor dióda alkalmazása mentén. Ezek az eszközök – diszkrét alkatrészként – sok esetben alapelemei egy jól megtervezett áramkörnek, azonban nagy sebességű portoknál sokszor tapasztalhatunk hibás alkatrészek okozta problémákat. A ProTek Devices általunk bemutatásra kerülő eszközei a méretérzékeny elektronika számára kínálnak feladatra szabott, kis méretű, öregedésmentes megoldást a vonatkozó szabványok maradéktalan betartásával.
Az IoT eszközök mikrovezérlői általában legalább USB csatlakozással kapcsolódnak a külvilághoz, a programozáshoz, de sok esetben tartalmaznak más nagy sebességű interfészeket is, például kijelzők meghajtására HDMI, vagy vezetékes hálózati kapcsolatokhoz Ethernet csatlakozásokat. Ezeken keresztül a külvilág felől könnyen érkezhet tranziens túlfeszültség, amelyet védekezés hiányában az áramkör károsodás nélkül képtelen elviselni. Sok esetben olyan károk forrása is lehet ez a jelenség, amelyek megelőzésére éppen az adott eszköz szolgálna – ha például a tüzet pont a felszerelt tűzjelző eszköz okozza, az ugye nem túl szerencsés eset.
Habár a tervezőmérnökök nagy tudással rendelkeznek az általuk tervezett áramkörök funkcionalitása tekintetében, mégis munkánk során nagyon gyakran találkozunk olyan esetekkel, amikor az alkalmazott áramkörvédelmi megoldás felületes, nem átgondolt, vagy például az adatlapokban szereplő adatok jóhiszemű félreértése okán alultervezett. Gyakran fordul elő, hogy a drága integrált áramkör adatlapján vastagon szedett (reklám-) szöveg hívja fel a figyelmet a kétségkívül rendkívül előnyös beépített ESD védelemre, azonban arra már senki nem gondol, hogy ez vajon mennyire robusztus védelmet is jelent, milyen szabvány szerinti, milyen jelformájú tranziens, és vajon mekkora energia elnyelésére alkalmas? Természetesen a válasz gyakran az, hogy ez az alkatrészgyártó és nem a tervezőmérnök érdekében alkalmazott megoldás, amelynek a célja csak annyi, hogy a gyártósoron ne menjen tönkre az alkatrész. Komolyabb ESD esetén teljesen hatástalan ez a védelem. Írásunkban megkíséreljük áttekinteni azokat a paramétereket és tulajdonságokat, amelyekre figyelemmel kell lenni a hatásos és optimálisan (sem alul-, sem túl-) tervezett áramkörvédelem beépítéséhez.
A túlfeszültségek fajtái
Amikor egy elektromos áramkörön vagy alkatrészen a feszültség a megengedhető maximális érték fölé emelkedik, akkor az a tranziens hosszától és jellegétől (tüske, vagy surge) függő mértékben károsodhat. Ezeket a túlfeszültség-tranzienseket természeti jelenségek (pl. villámlás), illetve emberi tényezők (például elektrosztatikus feltöltődés, nagy induktív fogyasztók kapcsolása, illetve egyéb áramkörök működése közben fellépő elektromágneses interferencia) is okozhatják. A tranziens túlfeszültségek három alaptípusba sorolhatók: elektrosztatikus feltöltődés (ESD), „surge” és „Load dump”-jellegű zavarok.
Az elektrosztatikus kisülés (ESD) két eltérő töltöttségi szintű, illetve potenciálú tárgy közelítése, vagy egymáshoz érintése folytán a szigetelő dielektrikum (levegő) átütésekor, általában szikra formájában megjelenő zavar. Általában 2-15 kV (1-4. szint) kisülési feszültség, rövid (ns) lefolyás és relatív kis energia jellemzi. A szabványok különbséget tesznek a különböző szimulációs modellek között, mint a „Human Body Model” vagy a „Machine Model”, és az ESD „támadás” módja szerint közvetlen kontaktus útján behatoló, illetve levegőben történő kisülés által keltett ESD között. Mivel a tervező nem tudja, hogy a készülék hol és milyen körülmények között lesz használatban, érdemes a legrosszabb helyzetre tervezni. Nem mindegy azonban, hogy a készülék egy párás trópusi helyen, vagy egy ESD szempontjából igen kritikus száraz sivatagban fog működni. Az IEC 61000-4-2 szabvány definiálja az emberi test által keltett ESD esemény lefolyását, és feszültség tekintetében négy szintet különböztet meg, 8 kV kontakt- és 15 kV levegőben történő kisülésértékig. A szabvány célja, hogy a tervezőket segítse az elegendő mértékű védelem kiválasztásában, legyen az akár tranziens ESD, EFT, surge, villám vagy helytelen bekötés következménye.
Az emberitest-modell alapján definiált tranziens szerint (1. ábra) a felfutás 0,7–1 ns és a lefutás 60 ns körüli időtartamot vesz igénybe.
1. ábra Az emberitest-modell alapján definiált tranziens lefolyása
A félvezetőgyártók gyakran 1-es szintű (Level 1) (1-2 kV) védelmet építenek be az eszközeikbe a gyártás során fellépő zavarok hatásának minimalizálására, miközben valós körülmények közt a fellépő ESD akár 15 kV is lehet. A beépített védelmet tehát csak másodlagos szintnek szabad tekinteni, és szükség van egy primer védelemre is 8 kV kontakt- és 15 kV levegőkisüléses impulzusok ellen. Nem megfelelő szabvány szerinti védelem esetén a 8 kV-os közvetlen túlfeszültség is elviselhető, azonban csak nagyon minimális áramérték mellett. Az IEC szerinti áramértékeket az 1. táblázat részletezi.
1. táblázat Az IEC 61000-4-2 szerinti áramértékek
Szemléltető példa az alábbi karakterisztika, ahol bár az ESD feszültség mindkét esetben 8 kV, mégis jól látszik a különbség a két eltérő szabvány előírta hullámforma között (2. ábra). Nagyon is fontos tehát pontosan tudni, hogy a készüléknek vajon melyiknek kell megfelelnie.
2. ábra Különbség a két eltérő szabvány előírta hullámforma között
A surge az ESD-nél nagyságrendekkel hosszabb (ms) zavar, amelyet általában kapcsolási tranziensek okozhatnak vagy villámcsapás, és nagy energia jellemzi.
3. ábra IEC 61000-4-5 1.2/50 µs túlfeszültség-hullámforma
Surge esetében a IEC 61000-4-5 szabvány 5 szintet határoz meg a különböző elektromos környezetek alapján.
Az elektromosan gyors tranzienst (EFT vagy Burst) az IEC 61000-4-4 szabvány definiálja a 4. ábrán látható hullámformák és ismétlődési periódusaik/frekvenciájuk meghatározásával.
4. ábra Az IEC 61000-4-4 az elektromos gyors tranziens (EFT) / burst tranzienseken alapuló immunitási szabványa
A „Load dump”-jellegű túlfeszültség általában úgy keletkezik, hogy egy nagy induktivitású forrásról a terhelést hirtelen lekapcsolják, például jellemző esete ennek, amikor a gépjármű akkumulátora hirtelen lekapcsolódik a generátorról. A tekercsekben felhalmozódott energia hosszú, általában milliszekundum nagyságrendű tranziens túlfeszültséget okoz, amit a felfutás után lassú lefutás és nagy energia jellemez.
5. ábra „Load dump”-jellegű túlfeszültség
Védekezés a fenti tranziensek ellen
Az adat- és tápvonalakon beérkező feszültségtranziensek elleni védekezés általában más és más megoldásokat kíván. A tápvonalak veszélyben vannak a villámok okozta primer és szekunder indukált túlfeszültségek, a nagy induktív fogyasztók lekapcsolásával az elektromos hálózaton megjelenő zavarok miatt, míg a telepes készülékek szinte kizárólag az ESD elleni védekezésre kell, hogy képesek legyenek. A tápegységekben megtalálható nagyszámú induktív és kapacitív passzív alkatrész jelenléte miatt ezek az eszközök általában immunisak az ESD-re.
Közös megoldás ezen esetekre olyan eszköz használata, amely a terheléssel párhuzamosan kapcsolva nagy feszültség megjelenésekor egy küszöbérték elérésekor (letörési feszültség) az energiát nagyon rövid idő alatt a testelés felé igyekszik elvezetni, és a terhelésre jutó feszültséget egy, a tranziensfeszültség maximumánál jelentősen kisebb, a terhelés számára elviselhető mértékre képes csökkenteni (clamping feszültség).
6. ábra Túlfeszültség elleni védelem
Így működik a ma alkalmazott legtöbb túlfeszültségvédő technológia, például a nagyon olcsó és sokat használt MOV (fémoxid-varisztor) vagy MLV (többrétegű varisztor). Ezek közös jellemzője, hogy a küszöbfeszültség megjelenésekor kis impedanciás állapotba kerülnek és a tranziensfeszültség rajtuk nagy áramot hajt a föld felé – remélhetőleg – megvédve ezzel a mögöttes áramkört. Az egyik nagy probléma ezekkel a technológiákkal az ismételhetőség hiánya, hiszen ezek az eszközök minden egyes incidens esetén erősen elhasználódnak és néhány esemény után teljesen hatástalanokká válnak. Ráadásul, ha meghibásodáskor szakadásba kerülnek, hatástalan mivoltukról semmilyen módon nem tudunk figyelmeztetést kapni. (Általában az elsődleges hiba rövidzár, de az ennek hatására kialakuló nagy áramerősség miatt rosszabb esetben fel is robbanhat, szétéghet a varisztor, ami szakadást eredményez).
Az adatvonalakon rosszul alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök relatív nagy kapacitása is komoly problémát jelent nagy adatsebesség esetén. Az eszköz soros ellenállása a párhuzamos belső kapacitásával együtt alkotja az első szűrőt, amely lassítja a jel fel- és lefutását. A rosszul megválasztott eszköz nagy kapacitása miatt a párhuzamos impedancia nagy frekvencián (azaz nagy jelátviteli sebesség esetén) nagyon kicsi lesz, ami azt jelenti, hogy a túlfeszültségvédő eszköz normál működés közben is „akcióba lép”, a jel egy részét a föld felé elvezeti, vagyis beleszól a jelátvitelbe. A hatásos ellenállás csökkentése lehetséges a rézkeresztmetszetek növelésével, de a kapacitás csökkentése jelenti az igazi megoldást a nagy sebességeken történő transzparens működéshez. Összehasonlításként összefoglaltuk néhány ipari szabványnak tekinthető adatátviteli technológia maximális sebességét és a párhuzamos túlfeszültségvédő eszköz maximális kapacitásértékét a jelátvitel zavartalanságának biztosítására (2. táblázat).
2. táblázat A jelátvitel zavartalanságának kritériumai
Az MOV-ok clamping feszültsége nehezen beállítható és sokszor jelentősen meghaladhatja a védelem megszólalási feszültségküszöbét.
A félvezetődióda-alapú Avalanche TVS (transient voltage suppressor) eszközök P/N átmenete a Zener diódákéhoz hasonlít, azonban nagyobb keresztmetszettel rendelkezik, mérete arányos a kezelni kívánt teljesítménnyel. Ahhoz, hogy hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek a védőeszköz számára, választható nagyobb méretű tokozás, ami jobban disszipálja a keletkező hőt. A chipmérettől egészen nagy modulokig találhatunk TVS diódát a gyártók kínálatában. Ugyan kisebb hibaáram engedhető meg a TVS dióda esetén, mint a fém-oxid varisztoroknál, a maximális feszültség- és áramértékek több eszköz soros, vagy párhuzamos kapcsolásával tetszőlegesen növelhetők. A mai TVS dióda lehetővé teszi a viszonylag nagy surge-jellegű áramok elvezetését, például a ProTek Devices 2700SM78CA terméke 18 kA maximális áramot visel el, egy 12 V-os névleges feszültségű 600 W-os dióda 8/20 s surge-kapacitása pedig 140 A. A TVS dióda meghibásodásakor rövidzárba kerül. A félvezetőtechnológia miatt működése rendkívül gyors és precíz, mert a válaszidő az elektronok sebességével arányos. Mivel a helyesen megválasztott túlfeszültségvédő normál üzemi körülmények közt láthatatlan kell, hogy legyen, az esetleges nagy adatátviteli frekvenciákon ultraalacsony – pF nagyságrendű – kapacitású TVS diódákra van szükség, ilyen például a mindössze 0,4 pF vonali kapacitású GBLC08CLC. A szupresszor dióda unidirekcionális szervezésben DC vonalakhoz éppúgy használható, mint bidirekcionális változatokban váltakozó áramú applikációkhoz. Szemben a fém-oxid-varisztorokkal (MOV), amelyek csak kezdetben, az első néhány megszólalásig mutatnak kielégítő szivárgási viselkedést a TVSD nem öregszik, a szivárgási áram karakterisztikája kiváló marad az idő előrehaladtával is. Válaszideje a nano-szekundum nagyságrendbe esik, és működését alacsony clamping-faktor (~1,33) jellemzi. Ez utóbbi hányados a terhelésre átjutó korlátozott feszültség és a megszólalási küszöbfeszültség hányadosa.
USB portok védelme
Az univerzális soros buszrendszerek nagyarányú elterjedése ipari szabvánnyá tette ezt a megoldást a számítástechnikai és szórakoztatóelektronikai termékek piacán. Mára nemcsak az adatátvitelben, de a készülékek töltésében is jelentős szerepet kapott. A „hot-swap”-jelleg és a rendkívül sok lehetséges meghibásodás miatt ezeket az eszközöket túláram és túlfeszültség ellen is védeni kell. Az USB 1.1 12 Mbps, a 2.0-ás szabvány 480 Mbps az új 3.0 szabvány pedig akár 5 Gbps adatátviteli sebességet támogat, emiatt rendkívül fontos a kis kapacitású TVS dióda alkalmazása.
7. ábra USB védelem PLR0502 ESD szupresszordióda-tömbbel
Az USB 1.1 és 2.0 védelmére a ProTek Devices a PLR0502 eszközt fejlesztette ki SOT-543 tokozásban az 5 V-os Vbus-vonal ESD védelmére. Mindezt 0,6 pF kapacitásértékkel teszi, szinte alig jelenlévő szivárgási árammal, így akár a 2.0-ás szabvány 480 Mbps adatátvitele mellett sem jelent problémát a használata.
Az USB 3.x megjelenése generációs váltást hozott a technológia számára, az adatátviteli vonalakat megháromszorozta (3 differenciális érpár az eddigi egy helyett), lefele történő kompatibilitást biztosítva az USB 2.0 HS, FS és LS módjaival, és bevezette a SuperSpeed nagysebességű adatlinkmódot. Ez a konstrukció az eddigiektől eltérő kábelspecifikációt eredményez, 3 differenciálisan csatolt jelvonalat (Tx+/Tx download, Rx+/Rx-upload és D+/D-), valamint két külön vezetéket a Vcc és a GND számára. A ProTek TVS megoldása a PLR0506 (DFN-8 tokozásban) 6 vonal számára kínál ESD védelmet 0,8 pF kapacitással. Kiegészítésképpen a Vbus-vonal megvédhető a GBLC05C vagy PSD05C eszközökkel.
8. ábra USB 3.X védelem PRL0506LP-vel
Manapság sajnos megjelent egy új fenyegetés, a szándékos károkozás, a készülékek tönkretételére irányuló támadás is. Ilyen lehet például a feketekereskedelemben kapható „USB killer” eszköz, ami az USB-porthoz csatlakoztatva egy nagyenergiájú feszültséglökést okozva tesz kárt az érzékeny elektronikában és a csatlakoztatott többi eszközben is. A gyanútlan felhasználó maga teheti tönkre saját készülékét azzal, hogy összetéveszti ezt az eszközt egy közönséges USB flash-memóriával. A ProTek Devices PRUSB05UBK eszközét kifejezetten az ilyen fenyegetések meghiúsítására tervezték. Az új steering-dióda/tranziens feszültségcsökkentő (TVS) ideális a duális USB 2.0 porthoz, az USB 1.0-hoz és a tápbuszhoz. Továbbá alkalmas gigabites ethernet portok, hordozható elektronika, videokártya-interfészek és DVI interfészek áramköri védelmére is.
9. ábra A PRUSB05UBK áramköri rajza
A PRUSB05UBK rendkívül alacsony, 2,5 pF-os kapacitású, minden adatvonalon integrált ellenállással. Kompatibilis az IEC 61000-4-2 (ESD) ipari szabványokkal: levegő +/-15 kV, kontakt +/-8 kV; IEC 61000-4-4 (EFT): 40 A, 5/50 ns; és IEC 61000-4-5 (túlfeszültség): 24 A, 8/20 mikroszekundumnál – 2. szint (Line-Gnd) és 3. szint (line-line).
Négy vonal védelmére és vonalonként 500 watt impulzuscsúcs-teljesítményre képes (tipikus = 8/20 mikroszekundum jelalak esetére). Az ESD-védelem 25 kV-ig terjed, alacsony clamping-feszültségre képes, és megfelel az RoHS és a REACH előírásoknak.
Li-Ion okoselemek és az elektronika túláram és túlfeszültség elleni védelme
A fentiekben az adatvonalak védelméről esett szó, de a teljesség igénye megkívánja, hogy említést tegyünk a tápvonali védelemről is. Mivel eredetileg a telepes táplálású IoT készülékek szerepeltek írásainkban, tekintsük át, hogy a beépített BMS rendszerrel ellátott tölthető Li-Ion okoselemes megoldások milyen kockázatokat rejtenek. Az első dolog, ami ilyenkor eszünkbe jut, az elemek nagy energiasűrűsége okán fellépő esetleges nagy áramok, amik mind az elem, mind a SYSTEM MANAGEMENT BUS CONTROLLER elektronika számára kritikusak lehetnek. Emellett az elemcserekor („hot-swap”) az elektronika nagyfokú ESD-nek és surge-jellegű tranzienseknek való kitettsége komolyan veszélyezteti az érzékeny mikrokontrollert és az egyéb integrált áramköri elemeket is.
A System Management Bus (rövidítve SMBus vagy SMB) egy egyszerű kétvezetékes busz, amely könnyű kommunikációt tesz lehetővé az intelligens elemmel. Az IoT számítógép lapkakészleteiben található meg és az áramforrással való kommunikációhoz használható további két vezetéket adja a tápvonalakhoz. Eredetileg az I²C szabványból származik és az alaplapon az intelligens elemek töltéséért felelős „akkumulátormenedzsment-rendszer” és magához az elem egymáshoz való illesztéséhez használjuk.
Ebben a négyvezetéses rendszerben esetlegesen fellépő túláram és túlfeszültség káros hatásai elleni védekezésről szól a cikk hátralévő része.
Túláramvédelem „öngyógyuló” PPTC eszközökkel
Polimer PTC termisztor (PPTC – pozitív hőmérséklet-változásra növekvő ellenállás) -alapú áramkörvédelmi megoldást ajánl a ProTek Devices PLRO1206/1210 PolySwitch eszköz, hatásos védelmet nyújtva mind a veszélyes áramtüskék, mind a túlmelegedés ellen. A hagyományos biztosítóhoz hasonlóan ez az alkatrész is korlátozza a hiba esetén fellépő túláramot, de nagy előnye, hogy a hiba megszűnésekor, miután a hálózatról a védendő áramkör lekapcsolódott, visszahűl, és automatikusan alapállapotba kerül. Nem szükséges a cseréje, ami nagy költségcsökkenést eredményez az üzemeltetés területén. A PolySwitch PPTC alapja félig kristályos polimer és bele kevert vezető részecskék (leggyakrabban korom) kombinációja. Normális üzemi viszonyok és hőmérséklet mellett a PolySwitch mint soros áramköri elem a teljes áramkör impedanciájához viszonyítva nagyon kis ellenállást képvisel, ezért semmilyen befolyással nincs az elektronika működésére. A jelenség fizikai magyarázata az, hogy benne a koromrészecskék összefüggő, jól vezető hálózatot alkotnak. A meredeken növekvő hibaáram megjelenésekor az I2R hatására a hőmérséklet megemelkedik, ami a kristályos szerkezet felbomlásához vezet. Az amorffá váló polimerben a vezető koromrészecskék egymástól eltávolodnak, a hálózat felbomlik és ezáltal az ugrásszerűen megnövekvő ellenállás hatására az átfolyó áram olyan szintre csökken, amit a védendő áramkör leggyengébb eleme is károsodás nélkül kibír. A PolySwitch eszköz karakterisztikáját közelebbről megnézve (10. ábra) az 1. pont reprezentálja a normál működéshez tartozó munkapontot, amikor az eszközben keletkezett hő maradéktalanul disszipálódik a környezet felé. Az áramerősség változatlan környezeti hőmérséklet melletti növekedése, vagy a külső hőmérséklet változatlan áramerősség melletti emelkedése hatására a PolySwitch is elkezd melegedni, azonban addig, amíg a hőegyensúly fennáll, a működés stabil lesz (2. pont). További áramerősség, vagy külső hőmérséklet-növekedés a munkapontot a 3. pontban jelzett szakaszra tolja, ahonnan minden további, bármilyen kis mértékű, azonos irányú változás rendkívül gyors ellenállás-növekedést idéz elő. Ekkor az eszköz a keletkezett hőt már nem képes leadni a környezete felé, benne nagyon gyorsan emelkedik a hőmérséklet és az ellenállás a 3. és 4. pont között. Ez a kioldott PolySwitch normál működési területe az aktív védelem fázisában, amikor az átfolyó áram a kívánt alacsony szintre korlátozott. Érdemleges változás a 4. pont után már nem történik az ellenállás értékében, amíg a feszültség nem változik, az eszköz kioldott állapotban marad. Ha a feszültség csökken, a táplálás megszűnik, a PolySwitch hűlni kezd és bizonyos idő elteltével alapállapotba kerül.
10. ábra Polimer PTC
A PLRO1206 és PLRO1210 nagyon alacsony ellenállást, nagy névleges áramerősséget és gyors kioldási időt biztosítanak. (3. táblázat)
Túlfeszültség elleni védekezés
A VSMF05LC egy 5 voltos, alacsony kapacitású, több vonal védelmére alkalmazható TVS tömb. Az eszközt úgy tervezték, hogy megvédje a vezeték nélküli távközlési és a hordozható elektronikai alkalmazásokat az ESD és az EFT káros hatásaitól. A VSMF05LC 4 vonalas egyirányú konfigurációban kapható, 5 voltos üzemi feszültséggel és 6 voltos minimális letörési feszültséggel rendelkezik. Ezt az eszközt 25 watt impulzuscsúcs-teljesítmény kezelésére tervezték. A miniatűr SOT-953 tokozású VSMF05LC megfelel az IEC 61000-4-2 (ESD) és IEC 61000-4-4 (EFT) immunitási követelményeknek. Az eszközt a csatlakozó közelében kell elhelyezni, hogy a legjobb védelmet nyújtsa a tranziensekkel szemben. Az okoselemek a szokásos pozitív és negatív csatlakozások mellett további két vonallal rendelkeznek, azaz a fenti eszköz önmagában alkalmas minden vonal védelmére.
11. ábra VSMF05LC több vonal védelmére alkalmazható TVS tömb
3. táblázat ProTek Devices PPTC eszközök
A minisorozat következő részében az iparban használatos szenzorinterfészek (IO-Link, RS485, 4-20 mA stb.) adat- és tápvonalainak védelmével fogunk foglalkozni.
Szerzők: Kiss Zoltán – Okl. villamosmérnök, export igazgató, Head of R&D és
Takács Adrián – Áramkörvédelmi-megoldásokat támogató mérnök (FAE) Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest Kölcsey utca 102/A
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail:
www.endrich.com
