La protección de sus dispositivos electrónicos de bajo voltaje ante sobrecarga eléctrica

Figura 1: (EOS daños externos)

Figura 2: (EOS daños internos)

Una causa común de falla de cualquiera de los productos electrónicos es la sobrecarga eléctrica (EOS). Mientras que un buen manual de instrucción evita que los usuarios utilicen dispositivos a niveles de potencia sin receta, no intencional EOS siempre es posible. La exageración podría ser el resultado de numerosos escenarios, incluyendo el suministro de sobretensiones y aplicación de sobretensión debido al suministro de insumos incorrectos. Tener una protección eficaz EOS es un requisito principal para la durabilidad del producto. EOS se utiliza para describir el daño térmicamente inducida que puede producirse cuando un dispositivo electrónico se somete a una corriente ( Figura 1 tensión) o que está más allá de las limitaciones especificadas del dispositivo ( la Figura 2 ). La alta corriente que puede ocurrir durante un evento EOS puede generar una alta temperatura localizada que causa daño a los materiales utilizados en la construcción del dispositivo. Un evento EOS puede ser un evento momentáneo sólo milisegundos duración o pueden durar tanto como las condiciones persisten. EOS puede ser el resultado de un evento no recurrente sola o el resultado de eventos periódicos o no periódicos en curso. Tanto EOS y descarga electrostática (ESD) son las condiciones de sobrecargas de tensión, pero, como se muestra en la Tabla 1, se diferencian en la energía lapso involucrados y la hora del evento.

Tabla 1: Comparación de EOS y ESD.

Un síntoma típico fracaso de EOS implica un exceso de corriente de alimentación está dibujado, baja resistencia entre los pines de alimentación y tierra, un pasar a corto ya sea entre suministro y tierra, y / o insuficiencia funcional de dispositivos. En algunos escenarios de fallo, daño visual para el dispositivo son evidentes. Esto puede ser en forma de protuberancia o un agujero físico en el paquete de componentes, quemar / decolorar / crack en el paquete de componentes. En la mayoría de los casos, el daño puede ser interno en forma de metal fundido / quemado, los hilos de conexión fundidos / abierto.

Causas de EOS

La causa principal del fracaso EOS, es una subida de tensión en la red eléctrica. El rebasamiento o quedarse en corto en I / O de conmutación, los picos de tensión debido a la conmutación interna, o una conexión externa (acoplamiento) también pueden conducir a EOS. Cuestiones de diseños adicionales como vía de retorno pobre debido a tierra inadecuada (que conduce a un ruido excesivo en el plano de tierra), pueden conducir a EOS de dispositivos. Para los sistemas que operan en entornos ruidosos, apantallamiento deficiente puede hacer que el sistema sea vulnerable a la interferencia electromagnética (EMI), a su vez, conduce a fallos EOS. Los Dispositivos debilitados debido a eventos como la EDS, serán más susceptibles a futuros eventos EOS. Latch-up puede conducir a EOS si la corriente no está limitada o si el evento tiene lugar durante un largo período de tiempo. Una entrada incorrecta proporcionada por el usuario también puede conducir a la EOS en las líneas de E / S de la fuente o. Prevención de EOS a nivel de producto: El escenario ideal es contar con suministros de energía limpia y el aumento gradual de control en el encendido y apagado. Tener  condensadores adecuados de acoplamiento  ayuda a la supresión de cualquier ruido en ámbitos de poder. Además, tener rutas de conducción de baja resistencia para la corriente y la tierra en la placa de circuito impreso ayudar a evitar ruidos no deseados lleguen al dispositivo de líneas de alta tensión I / O o. Aunque las opciones anteriores ayudan en la eliminación de la EOS causado por sobretensiones y picos de voltaje, los eventos causados por revertir el voltaje, sobretensiones y cortocircuitos (sobrecorriente) no están protegidos. Vamos a discutir cuatro opciones de protección ( Tabla 2 ) de este artículo para cubrir estas situaciones.

Tabla 2: Comparación de los métodos de protección.

Opción # 1

- Un diodo en serie en la línea eléctrica. La principal ventaja de este circuito, es que es de bajo costo y requiere de menos componentes. Se puede proteger a los sistemas de tensiones inversas mediante la desconexión de la entrada de tensión inversa aplicada en el sistema. El valor de la tensión hasta que el diodo puede proteger, es igual a la ruptura inversa hacia abajo parámetro de voltaje del diodo. La principal desventaja de este circuito, es que habrá una caída de tensión en serie equivalente al parámetro de caída de tensión directa del diodo utilizado. Asimismo, no puede proteger el dispositivo de más de sobretensión y cortocircuitos / sobre las condiciones actuales.

Opción # 2

- Un puente rectificador consta de 4 diodos. La principal ventaja de este circuito es que no sólo protege los sistemas de entradas de tensión temporales, pero también permite que el sistema funcione incluso con una tensión de entrada de marcha atrás. El valor de la tensión hasta que el diodo puede proteger es igual al doble de la tensión de ruptura inversa hacia abajo del diodo. Sin embargo, hay algunas desventajas a este circuito. No puede proteger el dispositivo de más de sobretensión y cortocircuitos / sobre las condiciones actuales. No habrá una caída de tensión en serie igual a dos veces el parámetro de caída de tensión directa del diodo si los diodos. Además, este circuito se compone de diodos voluminosos que van a consumir espacio en la placa y añadir costos al sistema.

Opción # 3

- Una combinación de un diodo Zener y el fusible reajustable. Este circuito consiste en un elemento de la  serie, es decir fusible reseteable y un elemento de diodo Zener en paralelo. El elemento de la serie limita la corriente y las abrazaderas de elementos paralelos el nivel de tensión. El fusible reajustable se desconecta o se rompe cuando la hay una oleada grande de corriente que pasa a través del fusible. Los fusibles reiniciables se componen de polímero conductor y la direccion de trabajo de estos fusibles reajustables es que cuando la temperatura del dispositivo (es decir, la temperatura de fusible) cruza el límite del umbral, se rompen temporalmente. Cambian de nuevo cuando la temperatura cae por debajo del umbral ( Figura 3 ).

Figura 3: Variación de la resistencia PTC con la temperatura

Cuando una tensión de entrada supera el parámetro de tensión de ruptura del diodo Zener, hay un aumento repentino de la corriente a través del diodo Zener y también en el fusible reajustable. El aumento en la temperatura de fusión del fusible provoca que el fusible se rompa el circuito, es decir, la resistencia del fusible aumentará muchas veces, lo que es equivalente al circuito de ser abierto. Cuando se elimina la condición de tensión de más de, las paradas de corriente que fluye a través del fusible y la temperatura de fusión del fusible reduce, cerrando / completando así el circuito de nuevo después de algún tiempo. La Figura 4 muestra la variación de la corriente y la resistencia con el tiempo durante condiciones defectuosas. Cuando se aplica una tensión inversa en la entrada, el diodo Zener, se polariza directamente. Habrá un gran aumento de la corriente a través del fusible PTC, que conduce a un aumento en la temperatura de fusible, y por lo tanto se rompe el circuito. Durante un escenario de circuito de sobre corriente o cortocircuito, la corriente a través de los aumentos de fusible, este aumento de la temperatura y en-vuelta la ruptura de circuitos, protegiendo de esta manera el sistema o dispositivo. La principal ventaja de este circuito es que se puede proteger a los dispositivos / sistemas de todos los escenarios EOS - sobretensión, tensión, circuito corto inverso o sobre corriente. Sólo dos componentes se añaden a la lista de materiales / coste.

Figura 4: Variación de la corriente y la resistencia con el tiempo durante condiciones de fallo (fuente Digikey)

La principal desventaja, es que habrá una serie de caídas de tensión debido a la resistencia del fusible reajustable. A pesar de que la resistencia inicial de fusible reajustable puede ser menos, la resistencia del fusible reajustable aumenta con la temperatura y el número de veces que se restablece el fusible. Esta caída de tensión en serie depende de la corriente consumida por el sistema que está siendo protegido, es decir, la gota aumenta con el aumento de los sistemas de consumo de corriente (V = IR). Otra desventaja de este circuito, es que hay un tremendo aumento de la temperatura del orden de 90 ° C. Por lo tanto, no podemos evitar que otros dispositivos cerca de este circuito, por lo tanto, aumentar el área del tablero eficaz utilizado por este circuito. Hay un dispositivo similar llamado un dispositivo PolyZen que tiene tanto un fusible reseteable y un diodo Zener en un solo componente, por lo que ocupan poco espacio en el tablero.Sin embargo, todavía hay una caída de tensión en serie debido a este dispositivo.Los dos parámetros principales de un fusible reseteable son el 'Ihold' actual y la resistencia en serie. El 'Ihold' actual es la corriente hasta que el fusible no se rompa. Este valor de la corriente debe ser igual o ligeramente más de los sistemas de máximo consumo de corriente. Para mantener la caída de tensión a través de la serie mínima fusible, un fusible que tiene la menor resistencia serie tiene que ser elegido. Un diodo Zener debe ser elegido de tal manera que la tensión de ruptura del diodo Zener es igual o ligeramente mayor que el voltaje de trabajo de la sistema que está siendo protegido. Sin embargo, el desglose de tensión no debe exceder el límite máximo de tensión del sistema que está siendo protegida.

Opción # 4

- Circuito de protección basado en MOSFET. Como se discutió la principal desventaja de los tres circuitos de protección arriba mencionados son la caída de tensión entubado por los componentes de protección térmica y la disipación. Un circuito MOSFET basado en ayudar a eliminar estas pérdidas de tensión y térmica al tiempo que proporciona una protección eficaz. Debido a la caída de tensión despreciable, esta protección puede incluso proteger pines analógicos utilizados para probar / controlar una tensión externa. Un circuito de protección contra sobretensión ideales debe satisfacer dos criterios. El primero es para evitar el exceso o revertir tensión que debe aplicarse a los pines del dispositivo. La segunda es la de no inmiscuirse en el funcionamiento normal del circuito (es decir, para evitar cualquier caída de tensión en serie). Considere un circuito integrado que puede ser operado desde 1.71V a 5.5V. Tales dispositivos típicamente se dañan si se aplica una tensión por encima de 6V. De este modo, el circuito de protección debe pasar todas las tensiones de trabajo (1.71V a 5.5V) sin ninguna caída de tensión. El circuito de protección también debe de corte de la alimentación del microcontrolador cuando el voltaje aplicado es mayor que 5,5 V.La principal desventaja del circuito es que hay seis componentes en el circuito y este circuito no protege la forma sobre la corriente (cortocircuito escenarios EOS). El diagrama de bloques funcional del circuito de protección se muestra en laFigura 5 . El primer bloque es sólo un modo de mejora P-MOS que no permite la entrada de polaridad inversa para pasar al siguiente bloque de control de la tensión. El bloque de control de la tensión se compone de un diodo Zener y un PMOS para controlar el interruptor.

Figura 5: diagrama de bloques funcional del circuito

El circuito de protección consta de dos MOSFET de canal P (Figura 6) en la línea de alta tensión que permiten la potencia / corriente fluya desde la entrada hasta la salida en función de las tensiones aplicadas a la línea. El circuito de protección protegerá de un máximo de sobrecarga de tensión o tensión inversa de 12 voltios (máximo de Q1VDG). La tensión de corte en la línea 5-V es de 5,7 V y en la línea de 3,3 V es de 3,6 V. Esto significa, si se aplica más de este nivel de tensión, el P-MOS Q5 se apagará, lo que protege el dispositivo. El consumo de corriente de estos circuitos de protección es menos de 6 mA.

Figura 6: Esquema de los 5V y 3.3V protección de circuito s

Considere el circuito de protección de 3.3V. Cuando la tensión externa es de entre 1,8 V y 3,3 V, la P-MOS Q4 lleva a cabo debido a que el voltaje en el terminal de puerta es menos de VTH con respecto al drenaje (P-MOS se apagará si el voltaje en el terminal de puerta es más de V con respecto al drenaje). Cuando la fuente de alimentación externa supera los 3,3 V, la P-MOS Q5 comienza conductor. Esto a la larga se apaga P-MOS Q6 en 3,6 V, protegiendo el dispositivo de sobretensión.Cuando se aplica una tensión inversa a través del circuito de protección de una fuente externa, Q4 P-MOS se apagará, protegiendo así el dispositivo de tensión inversa. El circuito se comporta como un circuito de protección bidireccional es decir, permite cualquier voltaje desde el dispositivo a pasar al mundo exterior, en tanto que limita la tensión que está entrando en el dispositivo. La selección de un dispositivo PMOS depende de tres requisitos principales: el voltaje de entrada mínimo que el circuito tiene que pasar, la tensión de entrada máxima que el circuito de protección tiene que soportar, y la caída de tensión en serie a través del circuito de protección. Supongamos que la tensión mínima de entrada del dispositivo es de 1,8 V y la tensión de entrada máxima hasta la que el circuito tiene que proteger es 10V. El dispositivo PMOS seleccionado debe tener VTH menos de 1,8 V y el VDG máximo debe ser superior a 10V. Para mantener la caída de tensión en serie a través del circuito de protección a un mínimo, en la resistencia RDS del dispositivo PMOS tiene que ser tan bajo como sea posible. La selección de la serie de la resistencia R4 y la combinación de diodo Zener ( Figura 7 ) depende de la de corte fuera de tensión a la que el circuito de protección bloquea el voltaje de entrada externa. Cuando la tensión de entrada se incrementa a la ruptura descendente de la tensión Zener (Vz), el voltaje a través de la resistencia R4 será casi cero como Zener no llevará a cabo idealmente. Cuando la tensión de entrada es más de Vz voltios, el voltaje a través de la resistencia R4 comienza a aumentar.Cuando el voltaje a través de la R4 alcanza V de Q5-PMOS, el Q5 PMOS conmuta ON, lo que aumenta el voltaje a través de R5. Esto hace que el Q6 P-MOS se apaga, rompiendo así la conexión de la entrada externa. Por lo tanto, el diodo Zener tensión de ruptura y el V de los PMOS determinar la tensión a la que la tensión externa se corta,. Es decir, Vcut-OFF = VZ + VTH decir que necesitamos el circuito de protección de corte a 5.6V Entonces VZ = Vcut-OFF - VTH. Teniendo en cuenta un P-MOS, con una tensión de 1,8 V VTH, tenemos como VZ 5.6V-1.8V = 3.8V. La combinación de la resistencia R4 y Zener debe ser tal que cuando se aplica una entrada externa de 5.6V, el voltaje a través de VZ tiene que ser 3.8V. Dado que el diodo Zener no es lo ideal, tenemos que elegir un diodo Zener que tiene VZ mayor que 3.8V como 4V o 4.3V. Para determinar un valor aproximado de la resistencia, se lee la curva VI del diodo Zener y comprobar cuál es la corriente que pasa a través del Zener es cuando el voltaje a través del diodo Zener es 3.8V. Si es 1 mA cuando el voltaje a través del diodo es 3,8 V, entonces el valor máximo de resistencia R4 es = (5.6V-3.8V) / 1 mA = 1,8 k. Una buena práctica para la elección de la resistencia R4 es utilizar una resistencia variable y Zener combinación y ajustar la resistencia para conseguir un voltaje de corte requerida.

Figura 7: VI curva del diodo Zener (fuente ficha técnica de diodos)

Conclusión
Los circuitos anteriores se ensayaron para determinar la exactitud de la operación de campo y se encontraron para tener éxito en la protección de la forma de dispositivo de sobre voltaje, tensión inversa y más de los escenarios actuales de los dispositivos que trabajan en 3.V y 5V. A continuación se presentan la comparación básica de los circuitos de protección para permitir al usuario en la selección de una protección ideal para su diseño. Pavankumar Banakar es un Ingeniero de Sistemas Senior de Desarrollo de Kits Equipo de Cypress Semiconductor, Bangalore desde 2011. Él tiene dos años de experiencia en el sector de Embebido Desarrollo de Sistemas y validación del sistema. Completó su Licenciatura en Ingeniería de RV Facultad de Ingeniería, Bangalore, India. Él puede ser alcanzado en pava@cypress.com . Rinku P Mathew es un Ingeniero de Sistemas Senior de Cypress Semiconductor, con ocho años de experiencia en la industria con los microcontroladores y aplicaciones embebidas Actualmente cursa su Maestría en la Universidad de Manipal, Bangalore, India. Se puede llegar a Rinku en rinku.mathew @ cypress.com .