Transile w praktyce (3). Dobór TVS do ochrony linii GPIO mikrokontrolerów

Niektóre wyprowadzenia mikrokontrolera współpracują niemal bezpośrednio ze złączami bądź innymi elementami urządzenia wystawionymi na działanie czynników zewnętrznych. We wszystkich takich sytuacjach trzeba zapewnić skuteczną ochronę przed wyładowaniami ESD oraz przepięciami innego pochodzenia. Co ważne, takie zabezpieczenie musi być skrupulatnie zaimplementowane i dostosowane do rodzaju sygnału.

Podstawowe założenia projektowe

Wartość napięcia V_RWM transila powinna obejmować największe spodziewane napięcie robocze, występujące na danej linii podczas prawidłowej pracy, oczywiście z uwzględnieniem tolerancji zasilania i samego komponentu. Trzeba przy tym pamiętać, że V_BR oznacza napięcie przebicia przy określonym prądzie testowym, a V_C – napięcie ograniczenia przy podanym prądzie szczytowym. Te i inne parametry katalogowe opisaliśmy w drugiej części tego cyklu. Dopiero jednak wartość V_C, wraz z przepięciem wynikającym z indukcyjności połączeń, pozwala oszacować rzeczywiste napięcie maksymalne panujące na linii mikrokontrolera podczas wyładowania elektrostatycznego, a także podczas zaburzeń EFT lub udaru. Co bardzo ważne – musimy porównywać parametry mierzone dla tej samej postaci impulsu. Oznacza to, że danych katalogowych podanych przez producenta dla impulsu 8/20 µs nie można bezpośrednio traktować jako napięcia szczytowego podczas wyładowania ESD. Przykładowy transil typu SMBJ5.0A marki Akyga Components ma V_RWM = 5,0 V, V_BR = 6,4…7,0 V oraz maksymalne V_C = 9,2 V przy 65,3 A dla impulsu 10/1000 µs – dane te nie określają jednak zachowania diody TVS w warunkach impulsu ESD o szybkości narastania większej o cztery rzędy wielkości.

W notach katalogowych podawane są również charakterystyki uzyskane metodą TLP, czyli pobudzania impulsami z linii transmisyjnej. Pozwalają one ocenić napięcie ograniczenia w funkcji prądu oraz rezystancję dynamiczną ochronnika i są użyteczne przy doborze zabezpieczeń ESD, choć nie odwzorowują całego przebiegu wyładowania według IEC 61000-4-2 (w szczególności jego początkowego szczytu). Co ciekawe, mimo zupełnie innej metodologii pomiaru, technika TLP odwołuje się do poziomów testowych zdefiniowanych w standardzie 61000-4-2.

Do oceny napięcia na chronionym wejściu warto wykorzystać także przebiegi odpowiedzi na rzeczywiste pobudzenie ESD oraz uwzględnić szacowaną indukcyjność połączeń.

Sama obecność (nawet prawidłowo dobranego) transila nie gwarantuje jednak 100-procentowej ochrony GPIO mikrokontrolera. Wprawdzie dobrze zaimplementowana dioda TVS, umieszczona przy złączu lub elemencie interfejsu użytkownika (np. przycisku typu tact switch), przejmie główny impuls napięcia, ale wciąż niezbędny może być dodatkowy rezystor szeregowy. Jego zadaniem jest ograniczenie prądu resztkowego, który zostanie następnie przejęty np. przez wbudowane diody zabezpieczające GPIO. Dopuszczalny prąd wstrzykiwany do linii I/O, w tym także ten sumaryczny dla całego układu, należy sprawdzić w dokumentacji konkretnego mikrokontrolera, ale należy pamiętać, że parametr ten nie stanowi deklaracji odporności wejścia na krótkie impulsy ESD. Mało tego: odprowadzanie prądu do szyny zasilania wymaga ponadto zabezpieczenia obwodu zasilającego przed wzrostem napięcia i uwzględnienia zachowania układu, gdy wyładowanie pojawi się przy wyłączonym zasilaniu.

Wejścia analogowe

Szczególnym przypadkiem, który zawsze należy sumiennie przeanalizować podczas projektowania systemu wbudowanego, jest wejście analogowe. Może to być zarówno linia wejściowa przetwornika ADC, jak i komparatora, wewnętrznego wzmacniacza operacyjnego bądź innego bloku analogowego współpracującego ze źródłem sygnału o wysokiej impedancji. Prąd upływu transila ($I_R$), przepływający przez rezystancję zastępczą źródła ($R_{src}$), powoduje wprowadzenie do układu dodatkowego błędu napięcia. Dla prostego modelu możemy oszacować jego wartość jako:

$|ΔU| ≈ I_R · R_{src}$

Do obliczeń przyjmujemy wartość maksymalną (a nie typową) $I_R$, a także sprawdzamy warunki napięciowe i temperaturowe specyfikacji.

Dla przykładu: wspomniana wcześniej dioda TVS typu ESD0501BU ma maksymalny prąd upływu na poziomie 100 nA przy napięciu zaporowym 5 V i temperaturze 25°C. Przy $R_{src} = 10 kΩ$ odpowiada to błędowi napięcia rzędu 1 mV. W przypadku typowego, 12-bitowego przetwornika ADC, pracującego przy napięciu odniesienia 3,3 V, napięcie 1 mV nieznacznie przekracza 1 LSB, co w większości zastosowań będzie raczej akceptowalne. Oczywiście mówimy tutaj wyłącznie o składowej błędu wprowadzanej przez sam transil, a w rzeczywistości na wypadkową dokładność ADC wpływają przecież także dziesiątki innych czynników aplikacyjnych.

Szybkie interfejsy cyfrowe

Dobór transili do ochrony szybkich interfejsów cyfrowych, m.in. USB czy HDMI, jest szczególnie wymagający pod względem pojemności pasożytniczej, która – jeżeli okaże się zbyt wysoka – może znacznie pogorszyć integralność sygnałową i zwiększyć bilans błędów transmisji. Maksymalna dopuszczalna pojemność wynika przy tym z czasów narastania/opadania wymaganych w danym typie interfejsu, a nie tylko z samej częstotliwości zegara.

W uproszczonym obwodzie skupionym dodatkowa pojemność C, wraz z rezystancją R, dałaby czas narastania 10-90% około $2,2 RC$. Dla linii o impedancji 50 Ω i pojemności 100 pF otrzymalibyśmy wartość 11 ns, a dla 0,4 pF – już tylko 44 ps. Jest to rzecz jasna jedynie porównanie skali, bowiem w rzeczywistej linii transmisyjnej wpływ pojemności zależy również od impedancji źródła i obciążenia czy miejsca włączenia ochronnika. Podany przykład dobrze pokazuje jednak wagę problemu dodatkowych pojemności włączanych w linie transmisyjne.

Kilkukrotnie już przywołany w tym artykule transil ESD0501BU oferuje pojemność typową 0,25 pF i maksymalną 0,4 pF przy napięciu 0 V i częstotliwości 1 MHz. Alternatywą dla kilku linii danych (np. w ramach dwóch portów USB 2.0) jest model SRV05-4, oferujący pojemności maksymalnie 0,7 pF między I/O a masą i 0,4 pF między dwiema liniami I/O. Należy zwrócić uwagę na fakt, że wartości te opisują różne pomiary – w przypadku jednokanałowego transila ESD0501BU określenie pojemności międzykanałowej z oczywistych przyczyn nie miałoby żadnego sensu.

Co ważne, mała pojemność nie przesądza samodzielnie skuteczności ochrony: model ESD0501BU ma maksymalne V_C = 25 V przy 4 A @ 8/20 µs, a SRV05-4 – prawie 2-krotnie mniej, bo tylko 13 V w tych samych warunkach pomiaru. Z drugiej strony pierwszy z wymienionych modeli ma o 5 kV wyższy deklarowany poziom odporności ESD w teście wyładowania stykowego (20 kV vs. 15 kV w przypadku SRV05-4) i prawie 2-krotnie większą deklarowaną moc impulsową dla przebiegu 8/20 µs (100 W vs. 55 W).

W przypadku interfejsów cyfrowych nieco mniejsze znaczenie niż pojemność pasożytnicza ma natomiast prąd upływu. W większości typowych systemów wbudowanych dodatkowe nanoampery pobierane z linii transmisyjnych nie powinny w widocznym stopniu degradować integralności sygnałowej.

Zwykłe wejścia/wyjścia GPIO

Dla przycisków, wejść alarmowych czy rozmaitych sygnałów sterujących większa pojemność może być akceptowalna (a w niektórych przypadkach wręcz mile widziana – pojemność transila na poziomie setek pikofaradów, włączona równolegle do danej linii, współtworzy bowiem z wypadkową rezystancją szeregową dodatkowy filtr zakłóceń RFI). Prąd upływu także można będzie w wielu przypadkach pominąć, o ile oczywiście nie będzie on zaburzał pracy układu. Trzeba tutaj wziąć pod uwagę dwa czynniki.

Po pierwsze, warto pamiętać o sprawdzeniu prądu upływu podczas projektowania urządzenia zasilanego za pomocą baterii lub akumulatora. Problem pojawia się zwłaszcza w popularnych transilach o relatywnie dużej mocy szczytowej (rzędu kilkuset watów) i V_R na poziomie kilku woltów. Upływność rzędu kilkuset mikroamperów może wielokrotnie przekraczać budżet energetyczny całego urządzenia w trybie uśpienia.

Po drugie, większy prąd upływu musi być wzięty pod uwagę w tych miejscach układu, które zawierają rezystory podciągające o rezystancji na poziomie kilku kiloomów lub więcej. W skrajnym przypadku upływ może być na tyle duży, by „zmylić” wejście cyfrowe mikrokontrolera. Przyjmijmy, że dioda TVS z rodziny SMBJ o napięciu V_R równym 5 V jest włączona w obwodzie mikroprzycisku, który podciągnięto zewnętrznym rezystorem 4,7 kΩ do dodatniej szyny zasilania. Przy prądzie 800 µA na rezystorze tym może się odłożyć spadek napięcia równy nawet 3,8 V. W systemie o napięciu zasilania 5 V spowoduje to wystąpienie na wejściu mikrokontrolera napięcia spoczynkowego około 1,2 V, a więc mieszczącego się w zakresie od 0 V do 0,3V_CC (0…1,5 V), interpretowanym – przykładowo – przez 5-woltowy mikrokontroler ATmega jako stan niski. Z punktu widzenia MCU transil będzie zatem udawał zwarcie wejścia do masy za pomocą przycisku, więc rozróżnienie jego rzeczywistego stanu może okazać się… niemożliwe!

Podsumowanie

Zapewnienie wymaganego poziomu ochrony wejść lub wyjść mikrokontrolera przed zaburzeniami wysokonapięciowymi nie jest zadaniem trywialnym. Dobór diody TVS zaczyna się wprawdzie od określenia napięć roboczych i dopuszczalnych napięć szczytowych, ale kończy się sprawdzeniem szeregu specyficznych wymagań danej części obwodu. W torze analogowym jednym z głównych parametrów będzie często prąd upływu transila, zaś w przypadku interfejsów cyfrowych – pojemność pasożytnicza, wpływająca na integralność sygnałową. Nawet w przypadku prostych wejść/wyjść binarnych czy obwodów zasilania niewłaściwie wybrana dioda TVS może istotnie pogorszyć parametry lub wręcz zablokować możliwość normalnej pracy urządzenia.

Jakby tego było mało, w ostatecznym rozrachunku na skuteczność ochrony mikrokontrolera diametralnie wpływa właściwa implementacja ochronnika w projekcie PCB. Tym aspektem zajmiemy się w ostatnim, czwartym odcinku niniejszego cyklu.

Źródła

1. Akyga ESD0501BU, 2023-09, rev. 1
2. Akyga SMBJ5.0A(CA)-SMBJ440A(CA), 2023-09, rev. 1
3. Akyga SRV05-4, 2025-09, rev. 1

Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components

Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com