Es ist nie sicher , die Höchstwerte zu überschreiten. Sogar der Betrieb an einem Punkt innerhalb der Nennwerte kann zu Ausfällen führen, wenn beispielsweise der Herstellungsprozess von den Spezifikationen abweicht (ich habe Leistungstransistoren in einem Prototyp-Durchlauftest versagen lassen und der Hersteller hat einen Fehler zugegeben).

Je weiter Sie von der „sicheren“ Region entfernt sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines frühen Ausfalls. Vielleicht Sekunden, vielleicht Monate – im Allgemeinen wird die Analyse nicht existieren. In seltenen Fällen (und manchmal häufiger, wenn die Geräte ausgereifter werden) lockert ein Hersteller einige der maximalen Bewertungen – insbesondere Bewertungen, die sich auf zeitlich begrenzte Belastungen beziehen.

In dem von Ihnen angegebenen Fall haben Sie festgestellt, dass die absoluten Höchstbewertungen wahrscheinlich eine Annäherung sind. Das ist plausibel$\mu A$Ströme mit einer hohen Treiberimpedanz können an den Pins ziemlich zuverlässig akzeptiert werden, ohne die Durchbruchspannungen zu überschreiten (und Sie überschreiten die Nennleistung wohl nicht so, da der Pin klemmt). Zusätzlich besteht die Gefahr des Latch-up, wenn unerwartete Teile des Siliziums bei verschiedenen Spannungszuständen leitend sind.

Erwarten Sie nicht, dass dies bei 100.000 Teilen funktioniert, die eine Lebensdauer von 10 Jahren haben. Wenn Sie mit gelegentlichen katastrophalen Ausfällen leben können, ist das Design vielleicht noch vernünftig. Wenn es sich um einen Debug-Port für ein 5-Dollar-Produkt mit einer Lebensdauer von 6 Monaten handelt, wäre es vernünftiger.

Das Überschreiten der absoluten Höchstwerte ist eine schlechte Idee.

Unter einigen sehr begrenzten Umständen kann es das Risiko wert sein, etwas vorsichtig über die Grenzen hinaus zu treiben. Dies kann für einmalige Situationen gelten, in denen Sie beispielsweise wissen, dass die Temperatur immer unter 25 ° C liegen wird, und Sie glauben, dass Sie dadurch etwas anderes verletzen können. Es könnte auch auf McGyver-ähnliche Situationen zutreffen, in denen Sie entweder nichts oder etwas haben, das funktionieren könnte .

Es ist nicht in Ordnung, Grenzen in einem Produktionsdesign zu überschreiten.

In Ihrem speziellen Fall gibt es wahrscheinlich zwei Grenzen, die maximale Spannung an einem Pin und den maximalen Strom in diesen Pin. Sie legen nicht wirklich 5 V an, wenn diese auf 30 µA begrenzt sind. Bei nur 30 µA durch die Schutzdiode ist es möglich, dass die Maximalspannung tatsächlich nicht überschritten wird. Lesen Sie das Datenblatt sorgfältig durch.

Ich bin einmal auf eine App-Notiz von Atmel (nicht TI, ich weiß - immer noch interessant) gestoßen, die eine solche Konstruktion duldet ... Für die Nulldurchgangserkennung am Netz!

Um das Gerät vor Spannungen über VCC und unter GND zu schützen, verfügt der AVR über interne Klemmdioden an den I/O-Pins (siehe Abbildung -1). Die Dioden sind von den Pins mit VCC und GND verbunden und halten alle Eingangssignale innerhalb der Betriebsspannung des AVR (siehe Abbildung unten). Jede Spannung höher als VCC + 0,5 V wird auf VCC + 0,5 V (0,5 V ist der Spannungsabfall über der Diode) und jede Spannung unter GND - 0,5 V wird auf GND - 0,5 V gezwungen.

...

Der Reiheneingangswiderstand ist ein 1 MΩ-Widerstand. Es wird nicht empfohlen, dass die Klemmdioden mehr als maximal 1 mA leiten, und 1 MΩ erlaubt dann eine maximale Spannung von etwa 1.000 V.

Anscheinend hält Atmel es für in Ordnung, die Klemmdioden auf ihren MCUs auf diese Weise bis zu 1 mA zu verwenden. (Obwohl man über die Autorität von App Notes streiten kann)

Ich persönlich bin mir immer noch nicht ganz sicher, was ich davon halten soll. Auf der einen Seite, wenn Atmel angibt, dass es in Ordnung ist, bis zu 1 mA durch die Klemmdioden zu liefern / zu senken, sehe ich kein Problem, wenn Sie diesen Strom weit vermeiden (und 30 µA würden sich sicherlich dafür qualifizieren). Wenn Sie auf diese Weise verwendet werden, überschreiten Sie auch nicht die Spannungsspezifikationen; Die Dioden klemmen es schließlich fest.

Ist es andererseits in Ordnung, die Klemmdioden so zu verwenden? Ich habe in den Datenblättern nie etwas über den Klemmdiodenstrom gefunden, daher ist die einzige Quelle dafür eine App Note.

Sie könnten also versuchen, eine Dokumentation von TI zu finden, in der der maximale Strom durch die Klemmdioden angegeben ist. Vielleicht haben sie auch Informationen in ihren Datenblättern oder App Notes, die diese Verwendungen erlauben oder verbieten.

Aber wenn Sie auf Nummer sicher gehen wollen, fügen Sie besser Ihre eigenen Klemmdioden hinzu, vorzugsweise solche mit niedriger Vf, dh Schottkys. Oder verwenden Sie einen einfachen Spannungsteiler. Auf diese Weise müssen Sie sich keine Sorgen machen, ob Sie gegen die Spezifikationen verstoßen oder nicht.

Aktualisierung, August 2019

Als ich in dieser Antwort auf den App-Hinweis stieß, machte ich tatsächlich ein Hobbyprojekt, bei dem ich dieses Konstrukt schließlich für die Netz-Nulldurchgangserfassung verwendete. (Weitere Details, einschließlich eines Schaltplans, finden Sie in dieser Frage ; es ist R8 / R9).

Die Schaltung verbindet 230 VAC über 2 MΩ direkt mit PB3 auf einem ATTiny85, wodurch etwa 58 µA RMS / 163 µA Spitze durch die ESD-Dioden geleitet werden. Ich bin mir immer noch nicht ganz sicher, was ich von der ganzen Sache halten soll; meine Motivation, es zu verwenden, war, dass das Projekt teilweise eine Übung im Minimalismus war ; zu sehen, wie weit ich die Schaltung reduzieren könnte und es trotzdem gut funktioniert.

Was auch immer die Gefühle sind, drei Jahre später ausgiebiger Nutzung funktioniert die MCU immer noch einwandfrei.

Machen Sie daraus, was Sie wollen ¯\_(ツ)_/¯

In Bezug auf das Überschreiten der absoluten Höchstbewertung im Allgemeinen haben die anderen Antworten dies meiner Meinung nach abgedeckt (dh tun Sie es nicht).

In Bezug auf die absolute maximale Nennspannung eines I/O-Pins ist es etwas komplexer, dass es auf der Oberfläche erscheint. Im (normalen) Fall, dass die I/Os interne Schutzdioden gegen VCC und GND haben, müssen Sie zwei absolute Maximalwerte berücksichtigen: die absolute Maximalspannung und den absoluten Maximalinjektionsstrom. Wenn Sie die absoluten Höchstspannungen nicht überschreiten, ist alles in Ordnung. Wenn Ihr Eingang andererseits auf unter den absoluten maximalen Injektionsstrom begrenzt ist (z. B. mit einem Widerstand),sollte ok sein :) ). Eine ausgezeichnete Anwendungsnotiz, die dies beschreibt, ist: http://www.nxp.com/assets/documents/data/en/application-notes/AN4731.pdf

Speziell für das von Ihnen aufgelistete Gerät konnte ich keine Werte für den absoluten maximalen Injektionsstrom finden.

In solchen Situationen, in denen Sie an Grenzen stoßen und/oder die benötigten Daten nicht finden können, würde ich immer empfehlen, sich direkt an den Hersteller zu wenden und das Problem mit einem seiner Anwendungstechniker zu besprechen (keine Angst sich an die Hersteller zu wenden, sie helfen normalerweise sehr gerne!)

Obwohl es wahr sein mag, was der Ingenieur denkt, ist es sicherlich nicht klug.

Klemmdioden sind für unvorhergesehene Situationen. Sie sind NICHT dazu gedacht, Unwissenheit und schlampige Designs zu kompensieren. Damit sind alle Sicherheitsmargen weg. Eine etwas schlechtere Toleranz durch Design, Hersteller oder aus welchem ​​Grund auch immer, und das Design versagt. Wenn ein Techniker über eine solche Situation stolpert, ohne die Hintergründe zu kennen, kann er oder sie viel Zeit damit verschwenden, herauszufinden, was passiert.

Tun Sie es daher nicht und bleiben Sie innerhalb der Spezifikationen.

Da dies in anderen Antworten nicht erwähnt wurde, kann das Überschreiten der maximalen Nennwerte an einem Pin eines Mikrocontrollers auch zu Folgendem führen:

• Wenn es angewendet wird, bevor der Mikrocontroller hochfährt (sogar um Mikrosekunden), kann es dazu führen, dass der Mikro einrastet und katastrophal ausfällt.

• Wenn er angewendet wird, während das Mikro vollständig ausgeschaltet oder heruntergefahren ist, fließt dieser Strom durch die Schutzdioden in seine Stromschienen und versorgt es mit Strom oder verhindert, dass es vollständig ausgeschaltet wird.

Dave Jones von EEBlog hat ein nettes Video , das dieses Verhalten demonstriert.

Ω Die sicherere Lösung besteht darin, eine TVS-Diode zum Klemmen von Überspannung einzusetzen, anstatt vom effektiven Reihenwiderstand des Geräts abzuhängen. Die Serie R begrenzt den Strom und solange dieser Strom sicher und kontinuierlich ist, sollte er in Ordnung sein. Wenn jedoch die kapazitive Kopplung und der ESD-Schutz beeinträchtigt werden, ist eine TVS-Klemmdiode mit niedriger Z-Klemmung am besten (3,6 V TVS) für Vcc.

Diese Antwort kann das Ohmsche Gesetz mit einigen vernünftigen Schätzungen verwenden, die keine präzisen Werte sind.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit oder Kindersterblichkeit steigt stark an, wenn ABSOLUTE MAX überschritten wird.

MTBF kann von Jahrzehnten bis zu Mikrosekunden reichen, je nach Parameter und Überschussmenge.

• So wird der Schnittstellenstrom begrenzt und vor ESD geschützt.

ESD-Klemmdioden sind, wie alle Dioden, für einen bestimmten Spannungsabfall, Vf bei einem bestimmten Nennstrom, If ausgelegt und sind häufig zweistufig mit einem Reihenstrombegrenzungswiderstand dazwischen, um 3-kV-Spitzen auf weniger als 0,5 V oder weniger als Vgs zu dämpfen Schwellwert des CMOS. Diese ESD-Dioden sind aufgrund der kleinen Sperrschichtgröße normalerweise auf 5 mA Gleichstrom begrenzt, um eine kleine Sperrvorspannungskapazität von 1 pF für eine schnelle Reaktion der Schnittstelle und auch eine schnelle Reaktion der Diode zu erhalten.

Nehmen wir an, der ESD-Nennschutz bei einer Standardentladung von 100 pF beträgt 1 kV bei 5 mA. Alle Dioden haben einen internen ESR, der umgekehrt zu ihrer W-Nennleistung ist.

Wir können den Spannungsabfall an der 1. Diode und den Spannungsabfall von der typischen Stromgrenze von 5 mA für ESD-Dioden abschätzen. Wenn wir Vf = 1 V schätzen, sehen wir, dass es sich um eine 5-mW-Diode (5 mA * 1 V) handeln könnte, die einen geschätzten ESR von 1 / (5 mW) = 200 Ohm hat.

Aber 1 kV ESD über 200 Ohm würde eine 5-V-Spitze an der 1. Diode verursachen.

Somit benötigen wir eine 2. Diode mit geschätzten 10K in Reihe. Jetzt beträgt die ESD-Spitze 5 V / 10 k = 0,5 V, was gerade ausreicht, um unter dem Vgs-Unterschwellen-Triggerpegel von CMOS-Gattern zu liegen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Sind 30 µA in diesem Zusammenhang klein?

Wie wäre es, wenn Sie die Verlustleistung in der Klemmdiode berechnen, durch das Diodenvolumen dividieren (dh die Geometriegröße nachschlagen) und dann sehen, wie schnell sich das Silizium in der Diode aufheizt, wenn dieser Spitzenbelastungspegel angelegt wird - welche Temperatur würde es erreichen? Wird es schmelzen?

Dies sind einfache vernünftige Berechnungen , die Sie durchführen können, um die realen Belastungen in den Griff zu bekommen und sie mit Ihrem Kollegen zu erkunden. Wenn Sie die thermischen Effekte, die Spannungsbelastung, die dV / dt von der Streukapazität (1) und dergleichen abdecken können, haben Sie möglicherweise ein Design.

Aber ich vermute, Sie werden feststellen, dass mindestens ein Problem die Ambitionen durchkreuzen wird (vielleicht sind es deshalb Bauchmax-Grenzen ;-).

(1) Die betreffende Streukapazität ist diejenige, die den Strombegrenzungswiderstand überspannt, der über diese kleine Schutzdiode entladen wird, und möglicherweise nicht genügend Wärmekapazität hat, insbesondere da darauf eine konstante Gleichstromlast folgt, selbst wenn sie überlebt .

Bei den meisten PIC-Geräten von Microchip funktioniert dies und liegt auch innerhalb der Spezifikation. Der Strombegrenzer (30µA) arbeitet als Spannungsteiler.

Manchmal, wenn es in Ordnung ist, dass das, was Sie machen, bei der ersten Verwendung kaputt geht, können Sie sich weniger um die Bewertung kümmern. Angenommen, Sie möchten eine Steuerung herstellen, die ein Magnetventil antreibt, das ein Gas aus einem Kolben freisetzt. Es wird nutzlos sein, nachdem das Gas freigesetzt wurde. In diesem Fall können Sie das Magnetventil nur mit einem Transistor ansteuern. Wenn es ausgeschaltet ist, wird es brechen und Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen lassen. Aber es ist OK, weil das Gerät nicht mehr benötigt wird.

Vielleicht ist es nicht nur Elektronik, sondern ein Pyro-Zünder. Ein Stück Nickelchromdraht und eine 12-V-Autobatterie. Die Hobby-Raketenbauer machen das ständig, um ihre Motoren zu starten.

Eine Sicherung ist insofern ähnlich, als ihre Nennkapazität darauf ausgelegt ist, (auf sichere Weise) durchbrochen zu werden.