Подавители эср что это

5

Что такое защитный диод и как он применяется

Для защиты электронных схем и радиоаппаратуры от перенапряжения и скачков напряжения используются такие эффективные радиоэлементы, как диодный предохранитель (ПОН или TVS). Также защитный компонент известен под названиями супрессор и защитный диод. Такой эффективный прибор впервые был создан в 1968 году, в США, с целью защитить промышленное оборудование от электрических импульсов природного характера (молний).

Основанием для разработки целого класса полупроводниковых ограничителей напряжения послужили большие убытки из-за частого выхода из строя бытовой электроники, вызванного скачками напряжения. Примечательно, что супрессоры (от англ. Suppresor – «подавитель») обладают ярко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) и огромным быстродействием.

Принцип работы и устройство

Защитные диоды состоят из двух пластинок, выполненных из германия или кремния, обладающих разной электропроводимостью. Проволочные выводы электродов, как правило, припаиваются к металлическим слоям, нанесенным на внешние поверхности пластинок. Конструкция заключена в пластиковый, металлостеклянный или керамический корпус.

Принцип работы защитного диода основан на применении обратимого пробоя. Пока напряжение не превышает номинальное значение, ограничитель никакого существенного влияния на работу схемы не оказывает, но прибор перейдет в режим лавинного пробоя, как только электроимпульсная амплитуда превысит базисное напряжение. Таким образом, размер амплитуды нормируется, а все излишнее напряжение при этом уходит на землю через сам ограничитель.

Виды и обозначение

Существует два основных вида защитных диодов TVS:

• симметричные (двунаправленные) – активно эксплуатируются в цепях с двуполярным напряжением, что позволяет использовать их в сетях переменного тока;
• несимметричные (однонаправленные) – эффективно защищают цепи с напряжением одной полярности, что позволяет использовать их в сетях постоянного тока.

На схемах супрессоры обозначаются как VD1, VD2 (двунаправленные) и VD3 (несимметричные). Номинальное напряжение таких диодных предохранителей варьируется от 6.8 до 440 вольт. А рабочая температура колеблется от -65 до +175 градусов по Цельсию. Высокая скорость срабатывания надежно защищает оборудование от перенапряжения. Корпус диодного предохранителя снабжается маркировочным кодом, отображающим все важные параметры изделия.

Маркировка защитных диодов позволяет выбрать наиболее подходящий радиоэлемент для сетей постоянного или переменного тока. Несимметричные изделия имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо. Цифры и буквы, как правило, сообщают о мощности, напряжении пробоя, а также допустимом отклонении напряжения.

Основные параметры защитных диодов

Диоды супрессоры имеют целый ряд основных электрических параметров:

• PPP или P имп. (измеряется в Ваттах) – максимальная импульсная мощность изделия показывает, какую мощность способен подавить полупроводниковый ограничитель;
• I_R или I обр. (измеряется в микроамперах) – значение постоянного обратного тока утечки, который, как правило, не оказывает существенного влияния на работу схемы;
• V_CL, V_C или U огр. имп. (измеряется в Ваттах) – значение максимально допустимого импульсного ограничения напряжения;
• V_BR или U проб. (измеряется в Ваттах) – обозначает напряжение пробоя, при котором супрессор напряжения отводит опасный импульс тока на общий провод;
• V_RWM или U обр. (измеряется в Ваттах) – обозначает параметр постоянного обратного напряжения;
• I_PP или I огр. мах. (измеряется в амперах) – параметр предоставляет информацию о максимальном пиковом импульсном токе. То есть, о том, какое значение способен выдержать лавинный диод.

Чтобы определить значение максимальной импульсной мощности, потребуется перемножить значение максимального пикового импульсного тока со значением максимального импульсного напряжения ограничения. Важно понимать, что все характеристики супрессора являются таковыми только в конкретных температурных условиях, поскольку при более высоких температурах токи, а также допустимая пиковая мощность будут непременно уменьшаться.

Особенности защитных диодов

Среди особенностей защитных диодов выделяют ряд пунктов:

• предоставляется максимально возможный показатель по уровню рассеиваемой мощности;
• возможность стабильного функционирования в условиях воздействия обратного напряжения;
• должен соблюдаться минимально возможный уровень скорости реакции на быстрое критическое воздействие;
• чтобы не оказывать влияния на функциональность прибора, обратные токи должны соответствовать действительно минимальным показателям.

Несмотря на высокую эффективность, супрессор нельзя назвать стопроцентным защитным ограничителем. Во-первых, в положении «выключено» такие приборы характеризуются значительными обратными токами. Во-вторых, в ограничивающем режиме в прямую зависимость от силы тока попадает уровень напряжения. В-третьих, нельзя забывать о сильной зависимости максимальной импульсной мощности от продолжительности импульса (длительности).

Для усовершенствования схемы существует практика последовательного соединения нескольких полупроводников, что дает увеличение мощности. Защитные диоды TVS часто используют совместно с самовосстанавливающимися предохранителями либо в специальных сборках, в которые уже включены предохранители такого типа.

Области применения диодов

Такие радиоэлементы активно применяются в различных направлениях:

• средства связи и телекоммуникации;
• цифровые интерфейсы;
• различная силовая электроника;
• бытовые электроприборы;
• разнообразные схемы управления.

Лавинные диоды широко применяются для защиты бортовой электроники транспортных средств. Например, система зажигания любого автомобиля является одной из самых сильных источников электрических импульсов. Отечественные защитные диоды (Кремний, СЗТП, Фотон, НТЦ СИТ, Саранск, ТОР, Россия и другие) не уступают по качеству, эффективности и доступности зарубежным аналогам.

Как проверить защитный диод

Данный ограничитель может выполнять функцию стабилитрона, но перед использованием очень важно проверить два определенных параметра: динамический ток и рассеиваемую мощность. Целостность проверяется при помощи компактного измерительного прибора – мультиметра. При такой проверке рекомендуется использовать устройство исключительно в режиме прозвонки (со звуковым сигналом).

Положительный (красный) щуп соединяем с анодом супрессора, а отрицательный (черный), соответственно, с катодом. Число на дисплее будет обозначать пороговое напряжение проверяемого диода. В зависимости от типа ограничителя напряжение может составлять от 100 до 1000 милливольт. Если смена полярности дает бесконечную величину, то элемент можно считать исправным и готовым к работе. Утечка свидетельствует о необходимости замены защитного компонента.

Если не знаете, как и чем заменить защитный диод, всегда можно обратиться в сервисный центр или пункт ремонта различной электроники. В интернете множество советов и инструкций по замене диодного предохранителя стабилитроном и быстродействующим диодом, но, не имея необходимых знаний и практического опыта, не рекомендуется совершать такие операции самостоятельно. Проверку следует выполнять осторожно, поскольку создание условий срабатывания приведет к выходу защитного компонента из строя.

Как правильно подобрать супрессор

Чтобы не ошибиться в выборе данного прибора, следует придерживаться простых рекомендаций:

• установить уровень номинального напряжения на линии;
• определить, как именно будет осуществляться монтаж элемента;
• определить тип напряжения, а также установить, что обратное напряжение превышает номинальное напряжение схемы;
• выявить допустимые пределы рабочих температур;
• решить, какой именно тип диода потребуется (симметричный или несимметричный);
• определиться с наиболее подходящей серией и вариантом изделия.

Кроме того, перед покупкой рекомендуется дополнительно удостовериться в том, что габариты и параметры радиоэлемента соответствуют требованиям и нюансам монтажа.

Применение современных защитных диодов на схемах отличается высокой эффективностью защиты любого электрооборудования, которое подключено к воздушным линиям.

Супрессор

Обозначение, параметры и применение защитных диодов

Защитный диод (супрессор) 1.5KE15CA

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов.

Диоды Шоттки, диоды Ганна, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (Transient Voltage Suppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и среди радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

TVS-диоды были созданы в 1968 году в США для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придаётся защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

Очень часто возникают броски напряжения и на силовых трансформаторных подстанциях. В таких случаях бытовая техника выходит из строя сотнями. Поскольку на промышленных предприятиях комплексная защита имеется, а жилые дома в этом случае совершенно не защищены.

По некоторым данным потери связанные с выходом из строя и последующим ремонтом всей электронной аппаратуры в США составляют около $12 млрд. в год. Специалисты посчитали, что и в нашей стране потери соответствуют этой сумме.

Для защиты аппаратуры от воздействия электрических перенапряжений и был разработан класс полупроводниковых приборов называемых TVS-диоды или “супрессоры”. Иногда в разговоре можно услышать: диодный предохранитель.

Обозначение на схеме.

На принципиальных схемах супрессор (ака защитный диод) обозначается так (VD1, VD2 – симметричные; VD3 – однонаправленные).

Принцип работы супрессора (защитного диода).

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а "излишки" уходят на корпус (землю) через диод. Более наглядно процесс выглядит на рисунке.

До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибора более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричные только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наносится вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из "фишек" защитных диодов.

Основные электрические параметры супрессоров.

U проб. (В) – значение напряжения пробоя. В зарубежной технической документации этот параметр обозначается как V_BR (Breakdown Voltage). Это значение напряжения, при котором диод резко открывается и отводит опасный импульс тока на общий провод («на землю»).

I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение – I_R (Max. Reverse Leakage Current). Так же может обозначаться как I_RM.

U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре V_RWM (Working Peak Reverse Voltage). Может обозначаться как V_RM.

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как V_CL или V_C – Max. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage.

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как I_PP (Max. Peak Pulse Current). Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения. Для мощных супрессоров это значение может достигать нескольких сотен ампер!

P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор. Напомним, что слово супрессор произошло от английского слова Suppressor, что в переводе означает «подавитель». Зарубежное название параметра Peak Pulse Power (P_PP).

Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (V_CL) и I огр. мах. (I_PP).

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.

ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора)

ВАХ двунаправленного супрессора

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.

Например, при длительности импульса 50 микросекунд диод типа SMBJ 12A выдерживает импульсный ток, превышающий номинальный почти в четыре раза.

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 (С)A. Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

Размеры указаны в дюймах и миллиметрах (в скобках). Несимметричные супрессоры имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо, которое расположено ближе к катодному выводу.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Диоды TRANSIL TM фирмы THOMSON широко используются для защиты автомобильной электроники от перенапряжений. Самым сильным источником электрических импульсов является система зажигания. Для защиты автомобильного музыкального центра достаточно одного диода TRANSIL TM .

Двунаправленные диоды TRANSIL TM 1.5КЕ440СА с успехом применяются для защиты бытовой электронной аппаратуры в сетях 220 вольт. Их применение наиболее эффективно для защиты объектов, которые подключены к воздушным линиям. В этом случае будет защита и от атмосферных электрических импульсов и от импульсных перенапряжений по цепям питания.

Защитный диод (супрессор): принцип работы, как проверить TVS-диод.

Защитный диод — гость нашего обзора полупроводников.

Мощность помех, влияющих на уровень напряжения в приборе, может быть различна. Для противостояния высокоэнергетическим импульсам возможно применение газовых разрядников и защитных тиристоров. Чтобы обезопаситься от средне- и маломощных воздействий больше подойдут защитные диоды и варисторы.

Защитный диод, наиболее часто выполняемый из кремния, может носить название:

• Супрессора;
• Ограничительного стабилитрона;
• Диодный предохранитель;
• TVS-диода;
• Трансила;
• Полупроводникового ограничителя напряжений (ПОН) и т.д.

Зачастую супрессор становится одной из составных частей импульсного питающего блока, поскольку в случае неисправности блока супрессор может защитить его от перенапряжения. Изначально защитный диод был создан в качестве страховки от атмосферных электрических воздействий на приборы.

Существует несколько сфер современного применения ограничительных стабилитронов:

• Защита наземных приборов от воздействия природных явлений (удары молний);
• Защита авиатехники;
• Страховка от воздействия импульсов электрической природы при неисправности питающего блока.[/google_font]

Принципы действия

Защитный диод обладает специфической ВА характеристикой, отличающейся нелинейностью. При условии, что размер амплитуды импульса окажется больше допустимого, то это повлечёт за собой так называемый «лавинный пробой». Иными словами, размер амплитуды будет нормирован, а все излишки будут выведены из сети через защитный диод.

Рис 1 Защитный диод- принцип работы полупроводника

Принцип работы TVS-диода предполагает, что до момента возникновения опасности диодный предохранитель никоим образом не оказывает влияние на сам прибор и его функциональные свойства. Таким образом, необходимо отметить, что выявляется ещё одно название для защитного диода — лавинный диод.

Существует два типа ограничительных стабилитронов:

• Симметричные.

Защитный диод, двунаправленный приспособленный для работы в сетях с переменным током.

• Несимметричные.

Применимы только для сетей с постоянным током, поскольку имеют однонаправленный рабочий режим. Способ подключения несимметричного защитного диода не соответствует стандартному. Его анод соединяется с минусовой шиной, а катод — с плюсовой. Положение получается условно перевёрнутым.

Кодировка защитных диодов, относящихся к симметричным, включает в себя литеры «С» или «СА«. У несимметричных диодных предохранителей имеется цветная маркировка в виде полосы на стороне катодного вывода.

Корпус каждого защитного диода также снабжён маркировочным кодом, в сжатом виде отображающим все значимые параметры.

Если входной уровень напряжения у диода увеличится, то стабилитрон в течение очень краткого временного отрезка уменьшит показатель внутреннего сопротивления. Сила тока в этот момент, напротив, возрастёт, а предохранитель перегорит. Поскольку действует защитный диод практически моментально, целостность основной схемы не нарушается. На деле, быстрая реакция на переизбыток напряжения является самым главным достоинством TVS-диода.

Значимые характеристики защитных диодов

• Uпроб. (пробоя)

Значение напряжения, при котором происходит открытие диода и уведение потенциала к общему проводу. Дополнительное синонимичное обозначение — VBR.

• Iобр.

Максимальный обратный ток утечки. Имеет маленькое значение, измеряемое в микроамперах, и функциональность устройства от него практически не зависит. Дополнительное обозначение — IR.

• Uобр.

Значение является показателем постоянного обратного напряжения. VRWM.

• U огр.имп.

Наибольшее значение по импульсному напряжению ограничения. VCL, VCmax.

• Iогр.max.

Наибольшее значение пикового импульсного тока. Иначе это показатель наибольшей силы безопасного для защитного диода токового импульса. Для наиболее действенных ограничительных стабилитронов данное значение может составлять сотни ампер. IPP.

• Pимп.

Показатель наибольшего значения допустимой импульсной мощности. К сожалению данный параметр крайне зависим от длительности импульса.

Рис 2 ВА характеристики защитного диода

Уровень мощности у защитных диодов неодинаков. Тем не менее, если исходных данных по этому параметру у супрессора недостаточно, его спокойно можно скомбинировать ещё с одним или несколькими полупроводниками, что положительно скажется на общем уровне мощности.

TVS-диод может выполнять функцию стабилитрона. Но прежде необходимо проверить его максимально рассеиваемую мощность и динамический ток при Imax. и Imin.

Проверка целостности защитного диода

Проверка на целостность защитного, как и выпрямительного (в том числе силового), диода осуществляется мультиметром (как вариант, можно применить омметр). Использовать прибор с этой целью можно только в режиме прозвонки.

Рис 3 Проверка защитного диода

Когда мультиметр готов, необходимо щупами соединить его с выводами супрессора (положительный-красный с анодом, отрицательный-чёрный с катодом). Когда это будет сделано, на дисплее тестирующего устройства высветится число обозначающее пороговое напряжение проверяемого диодного предохранителя. При смене полярности подключения должна высветиться бесконечная величина сопротивления. Если всё так и вышло, то элемент исправен.

В случае выявления утечки во время смены полюсов, можно говорить о дисфункциональности элемента и необходимости его замены. Аналогично можно проверить защитный диод автомобильного генератора.

Основные качества TVS-диодов

• Способность стабильно функционировать в условиях обратного напряжения;
• Обратные токи должны быть на самом деле минимальны, чтобы никак не влиять на функциональность прибора в целом.
• Скорость реакции на быстрое критическое воздействие должна находиться на минимально возможном уровне.
• Максимально возможный показатель по уровню рассеиваемой мощности.

Но, в качестве итога, необходимо признать, что выполнение одного условия зачастую влечёт за собой нарушение другого.

Помимо этого, TVS-диод в принципе нельзя отнести к числу идеальных защитных ограничителей. Так, например, защитные диоды супрессоры в положении «выключено» можно характеризовать достаточно большими обратными токами. Далее, вызывает неодобрение резкость при смене режимов. Наибольшей же проблемой считается то, что в ограничивающем режиме уровень напряжения находится в прямой зависимости от силы тока.

Необходимо помнить, что все даваемые производителем характеристики диода являются таковыми только в конкретных температурных условиях. При более высоких температурах допустимая пиковая мощность и токи уменьшатся.

Впрочем, несмотря даже на такие недостатки, диодные предохранители всё-таки оказываются лучше приборов, устройств и элементов с аналогичным назначением.

Области применения защитных диодов

Существуют несколько направлений, в которых может применяться супрессор:

• Силовая электроника (источник питания с постоянным напряжением, драйвер электродвигателя, инвентор и т.д.);
• Телекоммуникации;
• Схемы управления (сохранность входов и выходов операционного усилителя, транзисторных затворов, входных и выходных линий и т.д.);
• Цифровой интерфейс.

Как правильно подобрать защитный диод?

Применение следующих правил поможет избежать проблем с покупкой защитного диода. Чтобы не ошибиться в выборе, необходимо:

Многоуровневая защита электронной аппаратуры от воздействия электростатических разрядов:
от схемного до системного уровня

Выбросы электромагнитной энергии, к которым относятся электростатические разряды, могут приводить к временному нарушению работы оборудования или его повреждению. Этим они отличаются от обычных помех, которые, несмотря на более длительное воздействие, чаще всего только нарушают нормальную работу приемника помехи. После прекращения воздействия шума работоспособность устройств, как правило, восстанавливается. В соответствии с ГОСТ Р 53734.1-2014 (МЭК 61340-1:2012) электростатический разряд (ЭСР) — это перенос заряда непосредственным прикосновением или пробоем при разности потенциалов между объектом и окружающей средой при непосредственном соприкосновении или пробое.

При рассмотрении последствий электростатических разрядов используют следующую классификацию:

• электростатический разряд на электронный компонент (дискретный или в интегральном исполнении);
• электростатический разряд на корпус оборудования;
• непрямой электростатический разряд, при котором нарушение работы электронной схемы является результатом электромагнитного импульса токов ЭСР, протекающих вблизи приемника помехи.

Стандарт ГОСТ 30804.4.2-2013 устанавливает регламенты испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам. В документе приведены требования как к испытаниям на прямое воздействие электростатическими разрядами (методы воздушного разряда и контактного разряда), так и непрямое воздействие.

Электростатический разряд на электронный компонент — наиболее грозное явление, приносящее убытки как за счет явного повреждения компонентов, так и неявного повреждения, выражающегося в снижении ресурса компонента при эксплуатации. Интересно, что в отдельных случаях «поврежденные» партии компонентов имели увеличенный срок службы по сравнению с референтной группой, демонстрируя свойства самовосстановления.

Оператор может даже не ощутить факт разряда, если электростатическое напряжение не превышает порог чувствительности человека, определенный на уровне 1,5–2 кВ. Поэтому оператор должен носить антистатический браслет или, как минимум, прикоснуться к «мягко заземленным» конструкциям, прежде чем касаться компонента. Рабочие поверхности и окружающие конструкции должны быть «мягко заземлены» через резистор номиналом несколько сотен килоом. «Жесткое», низкоимпедансное заземление конструкций приводит к возникновению в них больших токов ЭСР, что становится причиной излучаемых помех высокого уровня. В этом случае оборудование в пластиковом корпусе оказывается более уязвимым для таких помех, чем оборудование в металлическом корпусе.

Электростатический разряд вызывает в электронных компонентах три основных вида повреждения:

• Пробой изолирующего слоя SiO₂. Например, в металлооксидных полупроводниках типовая толщина оксидного слоя составляет 0,1 мкм, поэтому при прочности такой изоляции 7 МВ/см она может быть повреждена напряжением выше 70 В.
• Прожиг дорожек металлизации. Прожиг металлических проводников для типового времени электростатического разряда начинается уже при значениях тока 2 кА/мм 2 , при которых происходит миграция частиц алюминия. Полное размягчение или отслоение происходит при токах порядка 30 кА/мм 2 . Ток прожига медных проводников примерно в 2,5 раза превышает эти значения.
• Повреждение пассивных или активных элементов интегральной микросхемы. Например, поликремниевые резисторы КМОП-логики могут быть повреждены при электростатическом разряде с напряжением выше 2,5–3 кВ. При этом отказ элементов (например, биполярных транзисторов) может быть и параметрическим, что выражается в снижении коэффициента передачи или увеличении уровня шума. Другой частый вид отказа активных элементов интегральных микросхем — тиристорный эффект, которому подвержена КМОП-логика с поданным питанием, если на нее поступил входной сигнал выше напряжения питания или ниже 0 В [1].

Ступенчатый принцип ослабления помехи в случае ЭСР реализуют следующим образом:

• необходимо создать условия, предотвращающие накопление зарядов, обеспечить рассеяние и нейтрализацию накопленных зарядов;
• снизить вероятность воздействия ЭСР на токопроводящие части аппаратуры;
• предотвратить передачу импульсной помехи с токопроводящих частей в чувствительные элементы схемы;
• использовать схемные, конструктивные и программные решения, повышающие устойчивость аппаратуры к воздействию ЭСР.

Предотвращение накопления, нейтрализация и рассеяние зарядов

Для предотвращения накопления зарядов, нейтрализации и рассеяния уже накопленных зарядов на предприятии, использующем чувствительные к ЭСР компоненты, должна быть разработана программа ЭСР-управления в соответствии с ГОСТ IEC 61340-5-1-2019. Эта программа должна предусматривать организационные и технические мероприятия, направленные на снижение риска повреждения компонентов статическим электричеством. К организационным мероприятиям относят проведение обучения и аудиты. Технические мероприятия в соответствии с этим стандартом предусматривают:

• использование материалов с повышенной проводимостью, обеспечивающих стекание зарядов;
• повышение влажности воздуха;
• рассеивающие напольные покрытия;
• ионизаторы воздуха;
• индивидуальную антистатическую защиту персонала;
• антистатическую упаковку оборудования [2].

Снижение вероятности воздействия ЭСР на токопроводящие элементы

Снижение вероятности проникновения ЭСР внутрь экранированного объема обеспечивают изоляцией этого объема от внешней среды с использованием следующих приемов, описанных в [3].

Для пластиковых или композитных непроводящих корпусов:

• используйте соединения деталей, аналогичные столярным методам «паз и гребень» или «в четверть», не образующие «прямого пути» для ЭСР внутрь экранированного объема (рис. 1);
• для защиты от ЭСР с напряжением до 20 кВ обеспечьте воздушный зазор не менее 20 мм между электронными элементами и любым незаземленным токоведущим элементом, которого может коснуться оператор (включая органы управления, индикаторы или винтовые крепления). Базовое правило обеспечения зазоров — 1 мм на 1 кВ напряжения ЭСР. При этом воздушный зазор должен быть обеспечен не только между поверхностью корпуса и элементами схемы (печатными проводниками, выводами микросхем, транзисторов), но и любыми токопроводящими деталями (например, кронштейнами, стойками). Если создать такой зазор невозможно из-за габаритных ограничений, используйте метод организации лабиринтов для увеличения пути распространения ЭСР.

Рис. 1. Методы увеличения пути для электростатического разряда от точки воздействия до электронной схемы

Другая особенность непроводящих поверхностей — наличие на них грязи, потожировых следов от пальцев оператора и т. д. Для мембранных и бесконтактных клавиатур это наиболее актуально. Поэтому ЭСР может распространяться по такой поверхности на несколько десятков миллиметров, прежде чем найдет проводник с меньшим потенциалом, чем у источника. Обычно для поверхностного разряда расстояние «точка воздействия — сигнальный проводник» выбирают исходя из правила «не менее 20 мм для ЭСР с напряжением 8 кВ». Для снижения вероятности проникновения такого разряда внутрь оборудования через воздушный зазор между клавиатурой и пластиковой корпусной деталью зазор должен быть тщательно (без пор и промежутков) заполнен герметиком или уплотнен силиконовыми прокладками. Для проводящих корпусных деталей клавиатура должна иметь с ними непосредственный контакт по всему периметру, что образует так называемый перехватывающий экран для ЭСР.

Для внешних соединителей:

• не подключайте внутренний проводной монтаж от печатной платы к внешнему соединителю, если в данной конфигурации не предусмотрено его использование;
• заглубите соединители таким образом, чтобы ЭСР от руки оператора или инструмента в первую очередь был направлен на корпус оборудования или корпус соединителя (рис. 2);
• обеспечьте неиспользуемые соединители заглушками (металлическими или, в крайнем случае, пластиковыми с напряжением пробоя не ниже 20 кВ);
• в случае опасности воздействия ЭСР на контакты соединителей обеспечьте эти линии устройствами подавления переходных процессов (TVS);
• используйте заглушки с пружинными контактами, обеспечивающими электрическое соединение контактов незадействованных входных соединителей с корпусом этого соединителя;
• для защиты электронной схемы от ЭСР выше 2 кВ можно использовать зазор-разрядник между сигнальной линией и системой заземления.

Рис. 2. Заглубление соединителей для целей перехвата электростатического разряда

Для органов управления:

• используйте переключатели и регуляторы с пластиковыми рычагами или ручками (или пластиковыми рукоятками на металлическом валу, если расположение винтов крепления рукоятки исключает их касание рукой);
• обеспечьте расстояние не менее 12 мм между доступной поверхностью мембранной клавиатуры и сигнальными проводниками, изолируйте сигнальные проводники или добавьте защитный контур по краю клавиатуры (рис. 3);
• обеспечьте дополнительную изоляцию индикаторов или светодиодов с помощью прозрачных пленок, стекол или световодов;
• скруглите углы и грани дополнительных радиаторов, расположенных вблизи отверстий или щелей в корпусе.

Рис. 3. Печатный проводник по периметру печатной платы для перехвата ЭСР

Предотвращение передачи импульсной помехи в чувствительные элементы схемы

Экранирование

Основной поражающий фактор ЭСР — это высокие амплитуды и скорости изменения электрического и магнитного полей, более характерные для радиолокационных станций: токи в десятки ампер с временем нарастания менее 1 нс, электрические поля с напряженностью порядка киловольт на метр, магнитные поля в килоамперы на метр. Эти воздействия предъявляют соответствующие требования к однородности корпусных экранов, размерам отверстий и качеству соединения в зоне стыковки деталей. Если на пути протекания токов ЭСР возникает неоднородность, имеющая на данной частоте значительный импеданс, то в этой точке может возникнуть вторичный ЭСР, что означает новый источник помеховой активности.

Если вы используете металлический корпус для разрабатываемого изделия, то с точки зрения ЭСР для вас есть две новости. Хорошая новость в том, что металлический корпус обеспечивает путь для токов ЭСР в обход электронной схемы. Плохая новость — металлический корпус в силу своей природы стимулирует ЭСР. Как мы говорили ранее, после воздействия ЭСР потенциал металлического корпуса из-за ненулевой индуктивности в системе заземления может составлять 1500-2000 В. Если система базово-возвратного заземления прибора отключена от системы экранирующе-защитного заземления (так называемая плавающая система заземления), то между корпусом и электронной схемой возникает электрическое поле высокой напряженности. Это может вызвать помехи в электронной схеме или привести к вторичному ЭСР между корпусом и токопроводящими элементами схемы. Как мы упоминали, для предотвращения повреждения схемы вторичным ЭСР необходимо соблюдать минимальные воздушные зазоры или использовать вторичное экранирование. Если система базово-возвратного заземления (то есть «сигнальный общий») соединена с системой экранирующе-защитного заземления (то есть «корпус»), то в случае ЭСР потенциал схемы повышается до потенциала корпуса и вероятность вторичного разряда снижается практически до 0. Соединение сигнального общего с корпусом возле интерфейсных соединителей также помогает снизить излучение помехи от кабелей, поэтому подобный прием может одновременно иметь два положительных эффекта. К сожалению, в этом случае повышенный потенциал сигнального общего транслируется через соединительные кабели в другое оборудование как помеха общего вида (то есть между «землей» системы и сигнальным проводником).

Все доступные для касания токопроводящие детали должны быть заземлены для предотвращения вторичного ЭСР. Элементы электронной схемы должны быть отделены от таких незаземленных деталей на расстояние не менее 10 мм, а от заземленных — не менее 1 мм. Примером такой токопроводящей детали может служить шильдик прибора, установленный на окрашенную поверхность посредством винтов или заклепок. Электрический контакт в этом случае может отсутствовать изначально (из-за изолирующих свойств краски) или быть утрачен при эксплуатации (поскольку эти соединения обычно не рассматриваются конструктором как критические с точки зрения долговечности низкоимпедансного контакта). При прикосновении к шильдику оператором — носителем заряда потенциал детали изменяется скачкообразно. Разность потенциалов между винтом крепления шильдика с внутренней стороны и окружающими проводниками приводит к возникновению электрического поля с высокой напряженностью, что может привести к вторичному ЭСР. Вторичный ЭСР более опасен для аппаратуры, поскольку характеризуется большей амплитудой тока из-за гораздо более низкого внутреннего сопротивления металлической детали по сравнению с человеческим телом. Потенциал человеческого тела может достигать 25 кВ, и этот потенциал может полностью быть передан на незаземленную деталь. Электрическая прочность воздуха (до пробоя) составляет около 3 кВ/мм, поэтому для разности потенциалов 25 кВ расстояние между проводниками не должно быть менее 1 см (с небольшим запасом). Однако необходимо помнить, что при повышении влажности электрическая прочность воздуха может быть существенно ниже. Если деталь заземлена, то индуктивность всего пути заземления для типичного для ЭСР времени нарастания токового импульса может привести к возникновению разности потенциалов между заземленной деталью и элементом схемы порядка 1,5 кВ, поэтому расстояния в 1 мм (опять же, с небольшим запасом) в данном случае достаточно.

Фильтрация

В отдельных случаях у конструктора нет возможности защитить сигнальный проводник, гальванически связанный со схемой, от воздействия ЭСР. Это, например, может быть наружная телескопическая антенна прибора. Практически все выпускаемые в настоящее время микросхемы имеют на входах и выходах встроенные диоды защиты от перенапряжений, предназначенные для шунтирования положительных и отрицательных выбросов напряжения. Однако с переходом на более малоразмерные технологии подобные элементы тоже становятся все более маломощными. Помочь защитным диодам можно, если добавить последовательно включенное в сигнальную линию сопротивление (активное или реактивное), как показано на рис. 4. В качестве таких последовательных элементов могут выступать высоковольтные резисторы, катушки индуктивности или обычные ферритовые фильтры или резисторы поверхностного монтажа. При использовании резисторов или ферритовых фильтров для поверхностного монтажа необходимо принимать меры для предотвращения поверхностного разряда (как по поверхности корпуса этих элементов, так и через возможные загрязнения на поверхности печатной платы). Для этого необходимо увеличить длину защитного резистора, использовав набор из 10–20 последовательно включенных сопротивлений, разделенных промежутками. Параметры резисторов или ферритовых фильтров должны быть выбраны исходя из необходимости ограничить максимально возможный ток ЭСР до уровня, который могут шунтировать внутренние защитные устройства микросхемы. Значения токов можно найти в технических описаниях на микросхемы.

Рис. 4. Последовательно включаемые элементы защиты от воздействия ЭСР

Более эффективная фильтрация может быть обеспечена при использовании двухэлементных фильтров, состоящих из блокирующего шумовые токи элемента (резистора/резисторов или ферритового фильтра) и шунтирующего шумовые токи элемента (конденсатора). Для эффективной защиты фильтр должен обеспечивать подавление сигнала помехи не менее 40 дБ в диапазоне 100–500 МГц, в котором сосредоточена большая часть энергии ЭСР. Номинал шунтирующего элемента обычно выбирают в диапазоне 100–1000 пФ, а блокирующего элемента — в пределах 50–100 Ом. Эти мероприятия могут обеспечить сохранность чувствительных элементов схемы, но обычно не предотвращают сбоев в работе схемы.

Подавление амплитуды переходных процессов

К сожалению, описанный выше прием ограничения токов ЭСР, поступающих на вывод микросхемы, не всегда применим. Для высокоскоростных интерфейсов внесение дополнительного импеданса в линию может привести к недопустимому сглаживанию фронтов и срезов импульса (вплоть до смыкания глазковой диаграммы). Кроме того, множество простых полупроводниковых устройств вовсе не имеют встроенной защиты от перенапряжений, и описанный прием ограничения токов в таком случае неэффективен. Устройства подавления переходных процессов должны (аналогично фильтрам) обеспечивать подавление как минимум 40 дБ для переходных процессов со временем нарастания 0,7 нс, что обеспечивает снижение амплитуды импульса с 8 кВ до 80 В. Эквивалентная верхняя граница частотного диапазона при этом будет на уровне 460 МГц. В идеальном случае такие устройства должны характеризоваться подавлением в 70 дБ для переходных процессов со временем нарастания 0,2 нс, что подразумевает снижение амплитуды импульса с 24 кВ до 8 В. Эквивалентная верхняя граница рабочего диапазона частот — 1,6 ГГц.

Аналогично случаю фильтрации помех эти элементы должны вносить минимальные искажения в полезный сигнал, то есть не изменять его напряжение, ток и форму фронта цифрового сигнала. Принцип работы параллельно включенных ограничителей состоит в том, что при превышении входным напряжением определенного уровня сопротивление ограничителя становится существенно меньше, чем входное сопротивление защищаемого элемента. В этом случае важнейшим параметром является время срабатывания ограничителя, то есть его перехода в проводящее состояние. Кроме времени срабатывания, большое значение имеют паразитная емкость, которая аналогично конденсатору сглаживает фронт цифрового сигнала, и паразитная индуктивность корпуса и выводов, повышающие импеданс ограничителя для высокочастотных токов помехи. Низкоимпедансное подключение к системе заземления для ограничителей напряжения так же важно, как и для емкостных фильтров.

В самом простом случае в качестве ограничителей напряжения используют диоды или стабилитроны. Более эффективными ограничителями являются диоды с обратным смещением и варисторы [4].

Схемные и конструктивные решения для повышения устойчивости аппаратуры к воздействию ЭСР

Повышения устойчивости аппаратуры к воздействию ЭСР можно достигнуть путем выбора элементов, допускающих выбросы напряжения с большей амплитудой и соблюдения ряда правил при проектировании печатной платы.

Остановимся подробнее на правилах проектирования печатных плат. Одно- и двухсторонние печатные платы наиболее подвержены воздействиям ЭСР как в части нарушения нормальной работы, так и повреждения элементов. Однако даже в этом случае знание основ электромагнитных взаимодействий может помочь повысить устойчивость схемы. Система сигнального заземления на одно- и двухсторонних печатных платах имеет чрезвычайно высокий импеданс на частоте ЭСР. Одним из возможных методов снижения импеданса системы заземления становится использование дополнительной, внешней поверхности заземления. Конструктивно такая поверхность может быть выполнена в виде листа алюминиевой или медной фольги с изоляционным покрытием, расположенной на минимально возможном расстоянии от печатной платы. Основной критерий в данном случае — минимизировать импеданс соединения «проводник заземления — поверхность», не допуская при этом давления токоведущих элементов платы на изоляционный слой. Вот почему такую поверхность обычно располагают со стороны монтажа, соединяя ее с системой заземления на печатной плате в как можно большем количестве точек. Больше точек соединения — меньше выбросы напряжения в системе заземления печатной платы при воздействии ЭСР. Большее количество соединений рекомендуют для критических зон на печатной плате, таких как зона расположения процессора, микросхем памяти, интерфейсных соединителей печатной платы, чувствительных к тиристорному эффекту микросхем КМОП и т. д. На практике при добавлении внешней поверхности заземления удается повысить стойкость двухсторонней печатной платы к повреждению при непосредственном воздействии ЭСР с 2 до 15 кВ [5].

Многослойные печатные платы обеспечивают повышение стойкости к ЭСР до 100 раз. Для снижения влияния ЭСР на такие платы необходимо применять следующие приемы:

• Располагайте поверхности питания и заземления как можно ближе к внешним сигнальным слоям. Это снижает размер контура для магнитного поля и реализует отклоняющее экранирование для электрического поля помехи.
• По возможности выделите для токов ЭСР отдельную поверхность экранирующего заземления. Фильтрующие конденсаторы и устройства защиты от выбросов напряжения генерируют сильные токи в системе заземления в момент воздействия ЭСР. Эти токи могут вызвать выбросы напряжения даже в низкоимпедансной системе сигнального заземления.
• Обеспечьте минимальное расстояние между поверхностью питания и поверхностью заземления, по возможности используйте две пары таких поверхностей. Распределенная емкость имеет очень низкую паразитную индуктивность и в том числе обеспечивает эффективную фильтрацию помехи по питанию в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц.
• Минимизируйте длину сигнальных проводников, особенно во внешних сигнальных слоях. Используйте полосковые линии для чувствительных сигналов.
• Организуйте дополнительные защитные электромагнитные зоны вокруг чувствительных элементов: экранируйте их, применяйте дополнительные фильтры перед вводом проводников в экранированное пространство.

Программные методы повышения устойчивости аппаратуры к воздействию ЭСР

Разработчики электроники давно убедились, что применение микроконтроллеров обеспечивает как повышение текущих характеристик приборов, так и расширение функционала аппаратуры в целом. Однако использование микроконтроллеров не только несет ощутимые преимущества, но и ставит новые, неизвестные ранее вопросы при обеспечении ЭМС. В частности, было установлено, что микропроцессорные системы особенно чувствительны к нестационарным процессам, то есть воздействиям ЭСР, перенапряжениям, импульсным помехам и вариациям напряжения питания.

Разработчики программного обеспечения для микроконтроллеров часто считают, что обеспечение ЭМС — это забота инженеров–схемотехников или, на крайний случай, разработчиков корпусов и компоновки прибора. И уж во всяком случае не инженеров–программистов. Действительно, основная нагрузка по обеспечению ЭМС ложится на разработчиков аппаратных средств, и их задача — максимальное ослабление сигнала кондуктивной и излучаемой помехи перед его поступлением в приемник и обеспечение устойчивости к внешнему электромагнитному воздействию. Однако последним рубежом защиты на пути помех всех типов (в том числе и от ЭСР) для микропроцессорных систем является должным образом разработанное программное обеспечение. Дополнительное преимущество программных методов в том, что доработка кода программы на любых стадиях проектирования стоит приблизительно одинаково, в то время как внесение изменений в схему или конструктив прибора часто приводит к значительным затратам. В особенности это относится к поздним стадиям разработки, например к этапу испытаний. Поэтому приемы программирования для обеспечения ЭМС не являются средством штопанья дыр, оставленных разработчиками аппаратных средств, а одним из средств борьбы с помехами на пути ее следования в приемник.

Основное условие помехоустойчивости ПО — выполнение правильных команд в правильной последовательности. Ошибки при выполнении программы могут возникать из-за нарушения порядка выполнения программы (например, при повреждении содержимого счетчика команд процессора) или выполнения ошибочной команды (например, при повреждении содержимого области, где хранилась команда). Более безопасный исход наступает, если помеха приводит к переходу в начало другой команды, расположенной ближе к концу или началу программы (так как команды могут быть как однобайтными, так и многобайтными). Хуже, если происходит переход к ячейке, содержащей, например, второй байт команды или данные. Результатом такой ошибки может стать выполнение программой бесконечного цикла, или зависание. Для обнаружения такого типа ошибок ПО система должна периодически контролировать длительность выполнения операций микропроцессором и функционирование программы в заданной для процедуры области памяти. Контроль таких состояний незначительно влияет на длину программного кода, добавляя обычно лишь несколько строк [6].

Кратко рассмотрим наиболее часто используемые для контроля корректности исполнения программы инструменты:

• сторожевые таймеры;
• программные контрольные точки;
• блоки пустых команд;
• обнаружение и блокирование неиспользуемых векторов прерываний.

Строго говоря, эти инструменты не повышают непосредственно стойкость к электромагнитным воздействиям, но обеспечивают контролируемые процедуры обработки обнаруженных ошибок.

Теме повышения эффективности сторожевых таймеров посвящено множество статей и научных работ, например [7, 8]. Основное правило в этом случае: сторожевой таймер должен стать средством контроля не только активности программы, но еще в большей мере контроля выполнения команд в правильной последовательности. Для этого разработчики программного обеспечения должны использовать в составе разрабатываемого ПО специальные блоки, выдающие сигнал сброса сторожевого процессора только в том случае, если фактическая последовательность выполнения командных блоков совпадает с заданной.

Более широкие возможности могут быть обеспечены при использовании многоступенчатых сторожевых таймеров. Эти устройства способны поддерживать автоматическое выполнение следующих шагов:

• перевод системы в безопасное состояние;
• сохранение отладочной информации в энергонезависимой памяти;
• выдачу сигнала «сброс» на микроконтроллер.

Самым мощным на сегодня сторожевым устройством можно по праву считать сторожевой процессор, способный взять на себя часть вычислительной нагрузки микроконтроллера при контроле хода выполнения программы. Последние исследования показывают, что сигнатурный анализ, выполняемый сторожевым процессором, — один из самых эффективных инструментов повышения надежности систем на основе микроконтроллеров [9].

Использование программных контрольных признаков — токенов, являющихся индикатором передачи управления определенному блоку команд, — особенно эффективно при реализации модульного подхода при разработке программ для микроконтроллеров. Этот метод обнаруживает факт повреждения содержимого счетчика команд как результат воздействия электромагнитных помех. При передаче управления любому модулю программа присваивает одной или нескольким глобальным переменным признак модуля, который должен быть проверен на выходе из него. Если полученный на входе в модуль признак не совпадает с контрольным значением на выходе, значит, воздействие помехи на счетчик команд при исполнении модуля привело к переходу в другой модуль (например, из процедуры X в процедуру Y, как показано на рис. 5). Проверка идентификатора может быть проведена и в ходе исполнения программного модуля несколько раз для того, чтобы минимизировать негативные последствия неконтролируемого перехода.

Рис. 5. Алгоритм контроля хода выполнения программы с использованием признаков-токенов

Блоки пустых команд используют, если программный код занимает только часть общего объема памяти программ. В этом случае обращение к неиспользуемому сегменту памяти программ приведет к исполнению ошибочного кода. Неиспользуемая область памяти обычно заполнена байтами FFH, что, например, для микроконтроллера 8051 соответствует команде MOV R7, A (то есть переместить содержимое аккумулятора в регистр R7). Таким образом, программа, переброшенная при воздействии помехи в такую область, будет исполнять команду перемещения данных до тех пор, пока не достигнет предела области памяти программ. Затем программа перейдет к исполнению команды по адресу 0000H, что аналогично поступлению сигнала «сброс». Описанный эффект может быть признан наиболее безопасным, поскольку для других приложений считывание FFh как программного кода или данных может привести к более тяжелым последствиям. Чтобы избежать негативных последствий такого перехода, неиспользуемая область памяти программ должна быть принудительно заполнена блоками команд «NOP — нет операции» (или аналогичными командами, не предусматривающими активных действий), завершающимися передачей управления модулю обработки ошибок или срабатыванием сторожевого таймера по истечении тайм-аута.

Неиспользуемые векторы аппаратных прерываний также могут быть причиной ошибок при исполнении программного кода. Поступление помехового импульса на вывод незадействованного прерывания способно привести к считыванию вектора этого прерывания и исполнению ошибочного кода. Самое простое в случае активации неиспользуемого вектора прерывания — выполнение команды «выход из прерывания» или передача управления модулю обработки ошибок. Прерывания по фронту сигнала часто становятся необходимостью, однако при этом следует принимать меры для защиты линии прерываний от импульсных помех. Поэтому если имеется возможность использовать прерывания по уровню, то выбор должен быть сделан в пользу этого варианта.

Заключение

Как мы убедились, высокий уровень защиты электронной аппаратуры от воздействия электростатических разрядов не может быть обеспечен с помощью только одного инструмента. Поэтапное ступенчатое ослабление уровня воздействия — эффективный метод, который должен быть взят на вооружение разработчиками высоконадежной техники.

Очевидно, в этой статье, в силу ее ограниченного объема, приведен только общий перечень мер повышения устойчивости техники к воздействию ЭСР. Детально изучить эту тему, в том числе и на конкретных примерах, можно на одном из семинаров, проводимых ООО «Серп» в Москве и Санкт-Петербурге.