Bietet Hochspannungstoleranz und ESD-Schutz für die MCU

Ich arbeite an einem Design für eine Automobilanwendung. Da es sich um Tests und Prototypen handelt, erwarte ich, dass die Eingänge gelegentlich versehentlich oder vielleicht absichtlich direkt an die Batterie / Lichtmaschine angeschlossen werden. Ich möchte, dass das Board während dieser Zeit ordnungsgemäß funktioniert.

Was ich anstrebe und meine Annahmen:

  • Ich möchte, dass alle Pins mit bis zu 18 VDC normal funktionieren
  • Hohe Kanalzahl, wobei versucht wird, Komponenten und Platinenplatz zu minimieren
  • Alle Eingänge MCU/ADC/MUX-Eingänge sind hochohmig
  • Die Signale haben eine niedrige Frequenz (<1 kHz, die meisten unter 100 Hz) und sind eine Mischung aus digital und analog, wobei ein Teil des Analogsignals am Sender gepuffert wird und ein Teil nicht (Schalter, seriell, Thermoelemente, Widerstandssensoren, 0-5-V-Drucksender). usw)
  • Einige Komponenten verfügen über einen integrierten ESD- und OVP-Schutz, aber nicht alle. Ich möchte davon ausgehen, dass diese Funktionen nicht vorhanden sind, damit ich eine gemeinsame Lösung für alle Kanäle haben kann.
  • Die meisten Geräte haben eine abs max Pin-Eingangsspannung von VCC + 0,3 V
  • Bei Geräten mit OVP möchte ich die Aktivierung der intrinsischen Pin-Dioden aus Angst vor unerwünschtem oder schlecht definiertem Verhalten vermeiden.

Ich habe das Beispieldiagramm unten erstellt, das 20-V-Zenerdioden in der Nähe der Eingänge für den ESD-Schutz, Strombegrenzungswiderstände / IPF und Schottkey-Diodenklemmen zeigt. Da ich noch nicht festgestellt habe, welchen Regler ich verwende, gehe ich davon aus, dass er keine gute Stromsenkefähigkeit hat, und habe einen weiteren Zener auf die 3v3-Leitung gelegt, um den Klemmdiodenstrom auf Masse zu senken.

Was mir an der Herangehensweise gefällt ist:

  • Relativ geringe Anzahl an Komponenten
  • Die Verwendung von Klemmdioden im Gegensatz zu Zenern bedeutet, dass ich für jeden Eingang das gleiche Teil verwenden kann, selbst wenn die Spannung 5v0 im Gegensatz zu 3v3 beträgt.

Was ich nicht mag:

  • Das Verhalten fühlt sich schlecht definiert an. Ich bin mir nicht sicher, ob ich weiß, dass die Klemmdioden vor den intrinsischen Dioden aktiviert werden. Für das folgende Diagramm habe ich mich sehr bemüht, die intrinsischen Dioden eine höhere Vf als die BAT54S zu haben, aber es gibt keine Möglichkeit, dies mit Sicherheit zu wissen.
  • Meine Wahl des 3v3-Zeners ist schlecht (D6, in der Nähe des Reglers), er leitet die ganze Zeit zu viel Strom auf Masse. Ich befürchte, dass die Verwendung von etwas mit einem höheren Cutoff dazu führen würde, dass Eingangssignale in die geregelten Stromleitungen eingekoppelt werden.
  • Angesichts der hohen Kanalzahl würde ich kleinere Gehäuse für die Zener und Klemmen als SOD-123 bzw. SOT23 bevorzugen.
  • Ich mache mir Sorgen, dass dies möglicherweise kein guter Ansatz ist, wenn der Eingang differenziell (und auf die Mittelschiene vorgespannt) und nicht einseitig ist.

Meine Fragen:

  • Sind meine Bedenken begründet?
  • Ist das ein guter Ansatz, wenn nicht, was wäre besser?
  • Können Sie angesichts der Tatsache, dass dies eine Automobilanwendung ist, zusätzliche oder bessere Ansätze für die Eingangsleistung und den Signalschutz vorschlagen, die ich nicht berücksichtigt habe?

ein Eingangsschutzschema mit Problemen

Hinweise zum Schema: V1 und R2 sind eine unbekannte Spannungsquelle und Quellenimpedanz. Ich gehe davon aus, dass der Benutzer den Eingang direkt an eine große Batterie anschließt, die von einer Lichtmaschine geladen wird.

Warum nicht einfach mit einem Hochgeschwindigkeits-Opto und einem TVS für ESD optoisolieren? Ich habe mit dieser Technik Schaltungen erstellt, die bis zu 36 VDC bei vielen KHz akzeptieren, und es hält die Platinengröße und die Kosten niedrig.
Ich werde noch etwas darüber nachdenken, aber meine erste Reaktion ist, dass es so aussieht, als würde dies mehr Platz auf dem Board beanspruchen. Noch wichtiger ist jedoch, dass einige Signale analog (0-5 V, Thermoelemente und widerstandsbasiert) und nicht digital sind. Aber ich werde noch weiter darüber nachdenken.
Ihre Frage bezieht sich auf diese oder jene Komponente, aber ich kann aus Ihren Überlegungen nicht erkennen, welche Komponente Sie tatsächlich in Ihren Schaltkreisen meinen. Ich meine, wo ist der 3,3-Volt-Zener (wie in Meine Wahl des 3v3-Zeners ist schlecht )? Und was bedeutet das: Wenn der Eingang anders war (auf Mittelschiene vorgespannt) als Single-Ended |
Danke Andy, ich habe den Beitrag aktualisiert, um diese Dinge zu klären. Der 3v3-Zener ist D6, in der Nähe des Reglers. 'different' war ein Tippfehler, es hätte 'differential' heißen sollen.
"Meine Wahl für 3v3-Zener ist schlecht (D6, in der Nähe des Reglers), es leitet die ganze Zeit zu viel Strom auf Masse." - Was ist der maximal akzeptable 'Dump'-Strom? "Ich würde kleinere Gehäuse für die Zener und Klemmen bevorzugen als SOD-123 bzw. SOT23." - Warum?
Das ist ein großartiger Punkt, Bruce, ich habe nicht quantifiziert, was ein akzeptabler Dump-Strom wäre. Der im Diagramm gezeigte gibt ~ 6 mA aus. Ohne Beweise hätte ich etwas näher an 1 mA vermutet. In Bezug auf die Paketgrößen wird es VIELE dieser Kanäle geben, sodass sich diese Geräte summieren werden. Ich wollte meine Bedenken äußern, damit es helfen könnte, maßgeschneiderte Antworten zu finden. Ich hatte gehofft, jemand wüsste vielleicht von einem guten Produkt, das helfen könnte. Zum Beispiel stellt TI ein ESD-Diodenpaket her, das fast 1/4 der Größe von SOT23 hat, aber ich habe nicht überprüft, ob diese angemessen sind.

Antworten (1)

Was ist der Sinn von D7 überhaupt, wenn Sie direkt danach R1/D14 haben? D7 wird niemals etwas schützen, außer wenn die Schienen nicht mit Strom versorgt werden, aber es ist so dimensioniert, dass Ihr Pin immer noch 3,3 V überschreitet. Und jede kontinuierliche Überspannung wird D7 sowieso ohne Strombegrenzungswiderstand davor durchbrennen.

Ich habe mich auch gefragt, ob ich vor den intrinsischen Dioden aktivieren soll, aber ein Vorwiderstand zwischen internen und externen Diodenklemmen sollte dabei helfen. C1 sollte nach diesem Widerstand gehen, nicht mit den externen Klemmdioden.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Dies wird mit so etwas wie einem rohen Thermoelementeingang oder anderen nicht konditionierten Sensorsignalen durcheinander kommen und die Bandbreite aller Signale reduzieren.

AKTUALISIEREN:

Ich hatte den Eindruck, dass ESD-Schutzdioden aufgrund der Erhöhung der Induktivität durch längere Leiterbahnen und zusätzliche Komponenten so nah wie möglich am Stecker und ohne störende Widerstände platziert werden sollten. Ist das nicht nötig?

Trace1 muss an und für sich nicht niedrig sein. Der absolute (nicht relative) Wert von Trace2 ist wichtig, aber jede übermäßige Menge von Trace1 stellt eine Menge dar, die stattdessen in Trace 2 hätte gehen können. Es ist normalerweise am praktischsten, Trace1 so kurz und niedrig wie möglich zu machen, als Trace2 sehr lang und hoch zu machen. Wenn Sie also mit begrenztem Platz arbeiten, möchten Sie Trace2 >> Trace1.

Sich Sorgen darüber zu machen, dass Trace1 zu hoch ist, ist an und für sich wie die Sorge um Sandsäcke vor Ihrer Pillendose. Sie möchten, dass Ihr VIP-Camp weit hinter Ihrer Pillendose ist, also ist es wahrscheinlich am besten, die Pillendose direkt zu den Sandsäcken zu bewegen, aber das bedeutet nicht, dass Sandsäcke schlecht sind, wenn sie dort sind. Sie wollen das VIP-Camp einfach nicht näher machen, nur damit Sie Sandsäcke haben. Das ist ein schlechter Kompromiss.

R2 ist eine unbekannte Quellenimpedanz, ich habe den Beitrag mit einem Kommentar aktualisiert, um dies klarer zu machen. D8 hat eine Abschaltung von 20 V, was über dem erwarteten Eingang im ungünstigsten Fall liegt. Diese Diode sollte als TVS-Diode angezeigt werden und sollte nur während eines ESD-Szenarios aktiviert werden. R1 und D14 bieten den Überspannungsschutz. D14 wird bei etwa 3,5 V aktiviert. Danke für den Kommentar zum zusätzlichen Vorwiderstand nach den externen Dioden, das ist eine tolle Idee.
@ Jay Tippfehler. Gemeint ist D7, nicht D8.
Ich denke, das war es, was du meinst, aber danke für das Update. Übrigens, es gibt einen großartigen Stack-Austauschbeitrag über intrinsische Dioden, den ich finden werde, wenn ich nicht an meinem Telefon bin, aber im Grunde sagen sie, dass nicht alle Geräte die Dioden absichtlich herstellen. Einige sind ein Nebenprodukt des Produktionsprozesses. Wenn bei diesen Chips Strom durch die intrinsischen Dioden fließt, kann dies andere Teile des Chips stören, aber auf eine Weise, die in Ordnung ist, nachdem sich der Zustand wieder normalisiert hat. Ich möchte sicher sein, dass sich die Geräte auch unter der höchstmöglichen Spannung, die ich erwarte, normal verhalten.
@Jay Ich sage, es macht keinen Sinn, auf 20 V zu klemmen und dann auf 3,3 V zu klemmen. Einfach auf 3,3V klemmen. Zum Klemmen bei ausgeschalteten Stromschienen platzieren Sie einfach ein 3,3-V-Uni-TVS parallel zum unteren Schenkel von D14. Sie sind sich nicht sicher, warum Sie glauben, dass Sie etwas Separates für ESD benötigen oder warum es von D14 getrennt werden muss.
Ohh, jetzt verstehe ich. Ich hatte den Eindruck, dass ESD-Schutzdioden aufgrund der Erhöhung der Induktivität durch längere Leiterbahnen und zusätzliche Komponenten so nah wie möglich am Stecker und ohne störende Widerstände platziert werden sollten. Ist das nicht nötig?
@Jay ESD-Klemmen sollten vor allem so platziert werden, dass sie die Klemme so weit wie möglich vom Stift abfangen. Dies geschieht normalerweise, indem sie genau dort platziert werden, wo ESD eintritt, damit sie so schnell wie möglich geklemmt werden. Aber das bedeutet nicht, dass Sie nicht Ihre gesamte Klemmstruktur am Stecker mit langen Spuren dahinter zum Stift platzieren können. Keine Notwendigkeit für eine separate. Widerstände/Ferrit/Induktivität vor der ESD-Diode helfen bei der Handhabung großer Leistung. Widerstände/Ferrit/Induktivität nach der Diode helfen dabei, den Pin vor der ESD zu puffern, während die Diode den Kampf führt.
Ich bin immer noch an meinem Telefon, also kann ich nicht viel tippen, aber um es zusammenzufassen: Entfernen Sie D7, fügen Sie 3,3-V-Fernseher parallel zu D14 hinzu, fügen Sie einen 100-Ohm-Widerstand zwischen D14 und dem Pin hinzu und verschieben Sie C1 nach diesem Widerstand ?
@ Jay Ja. 100 Ohm und C1 nach der Klemme sind nur extra, um die Dinge zu verlangsamen, während sich die Diodenklemme einschaltet (ich denke, es macht auch etwas anderes, muss aber mein Buch finden, wahrscheinlich HF-bezogen). 100 Ohm helfen auch, intrinsische Dioden zu deaktivieren. Oder lassen Sie sie zumindest einschalten, nachdem die Hauptklemme dies tut. C1 und all die Widerstände davor werden Ihre Linie jedoch verlangsamen. 14,7 K und 0,22 uF sind ziemlich groß. Effektiv, aber langsam. Zweischneidiges Schwert.
Kennen Sie Pakete, die die Klemmen und die Fernseher so kombinieren? Ich habe einige 6-polige Geräte von littlefuse gefunden, die gut sein könnten. Ich denke, es sind vier Sets in einem Paket.
@jay das tue ich nicht, aber du brauchst die Rail-Clamp-Dioden nicht wirklich, wenn du einen Fernseher hast. Die Schienenklemmen sind wesentlich präziser und können mehr Leistung verarbeiten, da sie die Versorgung verwenden.
Das einzige, was mich dabei beunruhigt hat, ist, dass die Datenblätter der Fernseher anscheinend nicht die konstante Leistung oder die aktuellen Fähigkeiten des Geräts auflisten, sondern normalerweise nur die vorübergehenden Zahlen. Ich werde morgen früh noch ein paar Blätter durchsehen.
@jay keine allzu große Sorge, wenn der Widerstand da ist. Sie wissen, wie viel Energie verbraucht wird. V_tvs x I, wie durch den Widerstand bestimmt. 1mA in Ihrem Stromkreis mit 18V-3,3V über 14,7K. Das sind 3,3 mW im TVS im Rückwärtsdurchbruch und 14,7 mW im Widerstand. Fast nichts. Dieses R könnte viel niedriger sein, sagen wir um das Zehnfache.
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