Ţilinská univerzita v Ţiline Elektrotechnická fakulta Katedra mechatroniky a elektroniky

Transcript

1 Ţilinská univerzita v Ţiline Elektrotechnická fakulta Katedra mechatroniky a elektroniky NÁVRH SYSTÉMU OCHRANY ELEKTRONICKÝCH PRVKOV V SYSTÉMOCH VÁŢENIA PRODUKTOV 2010 Bc. Michal Kolodejčík

2 ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY NÁVRH SYSTÉMU OCHRANY ELEKTRONICKÝCH PRVKOV V SYSTÉMOCH VÁŢENIA PRODUKTOV DIPLOMOVÁ PRÁCA Študijný program: Študijný odbor: Školiace pracovisko: Vedúci diplomovej práce: Výkonové elektronické systémy Elektrotechnika Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra mechatroniky a elektroniky doc. Ing. Pavel Pavlásek, PhD Bc. Michal Kolodejčík

3 Namiesto tejto strany vloţiť zadanie záverečnej práce!

4 Abstrakt sa zaoberá návrhom účinnej ochrany modulov v systéme digitálnych váh. Úvodná časť obsahuje zdôvodnenie, prečo sú dnešné integrované obvody náchylné na prepätia. Práca ďalej pokračuje teoretickým zhrnutím vzniku prepätí a rušenia všeobecne, ako i spôsobmi, ktorými sa dajú tieto nepriaznivé vplyvy potlačiť. V návrhu ochrany je popísaný konkrétny problém dosky plošných spojov digitálnych váh a dva moţné spôsoby jeho riešenia. V závere je zhodnotená úspešnosť celej práce. I

5 ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY ANOTAČNÝ ZÁZNAM DIPLOMOVÁ PRÁCA Meno a priezvisko: Michal Kolodejčík Akademický rok: 2009/2010 Názov práce: Návrh systému ochrany elektronických prvkov v systémoch váţenia produktov Počet strán: 37 Počet obrázkov: 22 Počet tabuliek: 7 Počet grafov: 0 Počet príloh: 0 Počet pouţ. lit.: 11 Anotácia v slovenskom jazyku: Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom účinnej ochrany kritických modulov v systéme digitálnych váh. Ponúka dve moţné riešenia problému. Anotácia v anglickom jazyku: This diploma work deals with idea of effective protection of critical modules in digital scale systems. It offers two possible problem solving. Kľúčové slová: elektromagnetická kompatibilita, prepäťové ochrany, transil, optočlen Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Pavel Pavlásek, PhD. Recenzent: Dátum odovzdania práce: 7. máj 2010 II

6 Obsah 1 Úvod Analýza technologických a prevádzkových podmienok váţenia Identifikácia rušivých a škodlivých prepätí elektronických modulov váţenia Zdroje rušivých signálov Priemyselné zdroje rušenia Zdroje prepätí Obmedzenie rušenia Odrušovacie tlmivky Odrušovacie kondenzátory Odrušovacie filtre Obmedzenie prepätí Bleskoistky Varistory Zenerove a supresorové diódy Koncepčný a technický návrh účinnej ochrany kritických elektronických prvkov v reťazci modulov váţenia Definícia problému Vplyv ESD na integrované obvody Obmedzovacia ochrana P-N dióda Zenerova dióda Spínaná ochrana MOSFET Tyristor Transil Zapojenie navrhovanej ochrany Návrh nového prevodníka Galvanické oddelenie Obmedzenie prepätí pouţitím optočlena Zapojenie optočlena Záver III

7 Zoznam obrázkov a tabuliek Obr. 3.1: Najčastejšie poruchy v napájaní... 6 Obr. 3.2: Závislosť napätia elektrostatických výbojov od vlhkosti prostredia... 7 Obr. 3.3: Prechod výboja súčiastkou... 8 Obr. 3.4: Prechod výboja krytom... 8 Obr. 3.5: Zapojenie tlmivky do obvodu Obr. 3.6: Náhradná schéma reálnej tlmivky Obr. 3.7: Zapojenie odrušovacieho kondenzátora Obr. 3.8: Náhradná schéma reálneho kondenzátora Obr. 3.9: Zapojenie filtračného člena Obr. 3.10: Kaskádne zapojenie prepäťových ochrán Obr. 4.1: Sériové zapojenie diód s ich parazitnými vlastnosťami Obr. 4.2: V-A charakteristika spínaných ochrán Obr. 4.3: V-A charakteristika transilu Obr. 4.4: V-A charakteristika trisilu Obr. 4.5: Rozloţenie IO na doske digitálnych váh Obr. 4.6: Schéma zapojenia ochrán pre kaţdý pin IO Obr. 4.7: Upozornenie v uţívateľskom manuáli Obr. 4.8: Zapojenie jednosmerného transilu medzi vstup AD prevodníka a zem Obr. 4.9: Tvar špičky 10/ nábeţná hrana dosiahne maximum do 10 µs a poklesne na 50% svojej maximálnej hodnoty do 1000µs Obr. 4.10: Vnútorná štruktúra optočlena Obr. 4.11: Vnútorná stavba analógového optočlena Obr. 4.12: Schéma galvanického oddelenia pouţitím optočlena Tabuľka 3.1: Odporúčané hodnoty odrušovacích kondenzátorov Tabuľka 3.2: Oblasti pouţitia rôznych druhov dielektrika kondenzátorov Tabuľka 3.3: Parametre prepäťových ochrán Tabuľka 3.4: Porovnanie rôznych zdrojov prepätí Tabuľka 4.1: Typická polarita izolačných materiálov Tabuľka 4.2: Parametre navrhovanej ochrany - jednosmerný transil P6KE6V8A Tabuľka 4.3: Parametre navrhovanej ochrany - optočlen HCNR IV

8 Zoznam skratiek Skratka Anglický význam Slovenský význam PWM Pulse-width modulation Pulzná šírková modulácia ESD Electrostatic discharge Elektrostatický výboj R Resistor Odpor L Inductor Cievka C Capacitor Kondenzátor Ar Argon Argón Ne Neon Neón EOS Electrical Overstress Elektrické preťaţenie IO Integrated circuit Integrovaný obvod P Acceptor type semiconductor Polovodič typu P N Donor type semiconductor Polovodič typu N MOSFET CMOS Metal oxide semiconductor field-effect transistor Complementary metal oxide semiconductor Poľom riadený tranzistor s hradlom z kovu Technológia výroby integrovaných obvodov NMOS N-type MOSFET N typ MOSFET SCR Silicon controlled rectifier Tyristor DSP Digital signal processor Digitálny signálový procesor AD Analog - digital Analógovo - digitálny RAM Random-access memory Pamäť s náhodným prístupom EPROM Erasable programmable Read-only memory Pamäť na čítanie mazateľná ultrafialovým svetlom LED Light-emitting diode Svietivá dióda CTR Current transfer ratio PD1 Photodiode 1 Fotodióda 1 PD2 Photodiode 2 Fotodióda 2 Al Aluminum Hliník Ga Gallium Gálium As Arsenic Arzén NC Not connected Nepripojené K Luminious flux Svetelný tok Pomer hodnoty výstupného prúdu k vstupnému DC Direct current Jednosmerný prúd V

9 Zoznam symbolov Symbol Jednotka Význam symbolu T, t [s] Čas f [Hz] Frekvencia U [V] Napätie I [A] Prúd Q [C] Elektrický náboj W, E [J] Energia H [A. m -1 ] Intenzita magnetického poľa Z [Ω] Impedancia L [H] Indukčnosť cievky ω [rad.s -1 ] Uhlová rýchlosť L [db] Útlm ωl [Ω] Reaktancia cievky ωc [Ω] Reaktancia kondenzátora C [F] Kapacita kondenzátora A xy [Ω] Kaskádne parametre dvojbrány T [ C, K] Teplota V t1 [V] Zapínacie, ochranné napätie spínaných ochrán I t1 [A] Zapínací prúd spínaných ochrán V t2 [V] Napätie druhého prierazu spínaných ochrán I t2 [A] Prúd druhého prierazu spínaných ochrán V h [V] Udrţiavacie napätie spínaných ochrán I h [A] Udrţiavací prúd spínaných ochrán V DD [V] Napájacie napätie P [W] Výkon VI

10 V BR [V] Obmedzovacie napätie transilu V BO [V] Spínacie napätie trisilu V CC [V] Napájacie napätie V IN [V] Vstupný signál V OUT [V] Výstupný signál VII

11 Poďakovanie Ďakujem vedúcemu diplomovej práce pánovi doc. Ing. Pavelovi Pavláskovi, PhD. za jeho rady, čas ústretovosť a dôveru poskytnutú pri písaní tejto diplomovej práce. Zároveň ďakujem mojej rodine za trpezlivosť a pochopenie. VIII

12 1 ÚVOD Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME Keď sa jedná o ochranu elektronických výrobkov, kaţdý výrobca narazí na problém kvality svojich produktov na jednej strane a ceny na strane druhej, či sa to týka výrobkov pre komerčné alebo priemyselné vyuţitie. Na trhu sa objavujú sofistikované integrované obvody s určitým stupňom odolnosti voči rušeniu s vysokou úrovňou integrácie, prísnymi poţiadavkami na výrobné procesy a nízkym napájacím napätím. Avšak sú nebezpečne náchylné na účinky elektrostatických výbojov a elektromagnetickej interferencie. So zvyšujúcou sa konkurenciou, ako aj pod vplyvom tlaku regulácie cien na trhu, sú výrobcovia nútení zniţovať ceny svojich produktov. To má za následok zníţenie integrovania dokonalejších ochranných obvodov do súčiastok a s tým spojené zníţenie spoľahlivosti. Dosiahnuť odolnosť lacných súčiastok je často náročné a zdĺhavé. Napriek tomu môţe byť riešenie ochrany pomocou dnešných moderných súčiastok efektívne aj lacné zároveň. Prevedenie samotnej ochrany musí byť ale také, aby počas normálnej prevádzky zariadenia mala na funkčnosť samotného zariadenia minimálny alebo ţiadny vplyv. Preto je potrebné zváţiť kúpu odolnejších ale drahších súčiastok od renomovaných spoločností, ktoré vynakladajú nemalé úsilie a finančné prostriedky na vývoj a testovanie svojich výrobkov. Prioritné je kontrolované odvedenie elektrostatického výboja od citlivých častí súčiastok, prípadne celých integrovaných obvodov tak, aby sa minimalizovalo vystavenie elektronických komponentov podmienkam, ktoré by spôsobili jeho poškodenie alebo celkové zničenie. So zvyšujúcou sa pracovnou frekvenciou integrovaných obvodov je nutné zabezpečiť aj vysokú rýchlosť ochrán. 1

13 2 ANALÝZA TECHNOLOGICKÝCH A PREVÁDZKOVÝCH PODMIENOK VÁŢENIA Rozvoj elektroniky v posledných desaťročiach zaznamenal prudký nárast mnoţstva pouţívanej mikroelektroniky ale aj výkonových elektronických výrobkov. S nimi je spojený aj vznik rušenia v pásme od 0 do stoviek GHz. Tieto zariadenia môţu obsahovať generátory signálov pracujúcimi na veľmi vysokých výkonových úrovniach. Naopak mikroelektronické systémy sú citlivé i na mv a µa. Ak sú umiestnené v blízkosti výkonových zariadení, stretáva sa tak vysoký rozdiel výkonov. Preto vzniká vysoká pravdepodobnosť vzájomného rušenia. Do signálnych vodičov mikroelektronických systémov sa začne indukovať napätie. Takto pozmenený signál môţe spôsobiť nesprávny chod rušeného zariadenia a dokonca môţe nastať jeho poškodenie. Digitálne váhy patria medzi zariadenia s nízkymi napäťovými úrovňami, preto sú citlivé na rušenie z okolia. Rušenie sa môţe dostať do zariadenia aj po energetických sieťach cez napájací menič. Zdroj rušenia sa môţe od prijímača rušenia nachádzať pár metrov ale aj stovky kilometrov. Tento problém nezaťaţuje systémy s vlastným zdrojom elektrickej energie. Kaţdé elektronické zariadenie je ale vystavené účinkom elektrostatických výbojov. Niektoré zariadenia sú voči nim odolné viac, iné zase menej. Aby konkrétne systémy pracovali správne, nie len v laboratórnych podmienkach ale aj v prevádzkových, je potrebné nájsť ich kritické moduly, preskúmať podmienky ich poškodzovania a navrhnúť adekvátne kroky v prevencii. 2

14 3 IDENTIFIKÁCIA RUŠIVÝCH A ŠKODLIVÝCH PREPÄTÍ ELEKTRONICKÝCH MODULOV VÁŢENIA 3.1 ZDROJE RUŠIVÝCH SIGNÁLOV Kaţdý elektrotechnický systém sa môţe povaţovať za zdroj alebo prijímač elektromagnetického rušenia. Skupina systémov, u ktorej prevaţujú generovacie procesy nad prijímacími, pomenúvame ako zdroje elektromagnetického rušenia alebo interferenčné zdroje. Klasifikáciu rušenia a ich zdrojov môţeme uskutočniť podľa rôznych hľadísk: a) vzniku: - prírodné (prirodzené) b) účinku: - funkčné - umelé (technické) - parazitné (neţiaduce) c) časového priebehu: - impulzné (jeden impulz, alebo viac impulzov trvajúcich kratšie ako 200 ms) - spojité (jeden impulz trvajúci dlhšie ako 200 ms) - kvazi-impulzné d) šírky pásma: - úzkopásmové - sú vytvárané najmä uţitočnými signálmi, t.j. rozhlasovými a televíznymi vysielačmi - širokopásmové - je vytvárané priemyselným alebo prírodným rušením e) frekvencie: - nízkofrekvenčné (do 2kHz) - energetické - akustické (do 10kHz) - vysokofrekvenčné - rádiové - (10kHz - 400GHz) - interferenčné zdroje f) spôsobu šírenia: - rušenie vedením - napájacím, signálovým, dátovým - rušenie vyţarovaním - priestorom 3

15 Z hľadiska vzniku elektromagnetického rušenia nás zaujímajú najmä umelé zdroje rušenia. Pre tieto systémy je dôleţité navrhnúť efektívne spôsoby zamedzenia ich nevhodného vplyvu. Vzniku prírodným zdrojom rušenia sa nedá zamedziť, preto sa len môţeme snaţiť o minimalizáciu ich následkov. Existujú aj také interferenčné zdroje, ktorých účinok je ţiaduci. Príkladom je bezdrôtový prenos signálu - televízne, rádiové vysielače, bezdrôtové počítačové a mobilné siete. Napriek tomu, ţe sú tieto technológie komerčne často vyuţívané, ich nepriaznivý vplyv sa môţe prejaviť na citlivých elektronických systémoch (napr. kardiostimulátory) a vo vysokých intenzitách je dokonca zdraviu škodlivé. Elektromagnetické rušenie môţe pôsobiť na svoje okolie kontinuálne tj. spojito alebo postupnosťou impulzov s rôznou amplitúdou a frekvenciou. Podľa priebehu rušenia rozlišujeme: Šum - signál, ktorý ovplyvňuje tvar uţitočného signálu, napr.: napájacieho napätia, riadiacich a komunikačných signálov. Impulzy - rušivý signál s veľkým pomerom veľkosti impulzu k dobe jeho trvania. Na uţitočný signál sa impulzy superponujú kladne alebo záporne. Prechodové javy - náhodné jednorazové rušivé signály s rôznou dĺţkou trvania (ms aţ s). Najčastejšie vznikajú v napájacej sieti zapínaním alebo vypínaním zariadení s veľkými výkonmi. Aby sme boli schopní zamedziť elektromagnetickému rušeniu, musíme zistiť jeho hlavné kmitočtové zloţky. Uţitočné signály sú spravidla úzkopásmové, naopak priemyselné a prírodné rušenie je širokopásmové. Širokopásmové rušenie sa nachádza v kmitočtoch od jednotiek Hz aţ po stovky MHz. Nízkofrekvenčné energetické rušenie je rušenie vznikajúce v energetickej sieti. Zdrojom je kaţdá nelineárna záťaţ, ktorá spôsobuje deformáciu napájacieho napätia a tvar odoberaného prúdu. To nepriaznivo vplýva na zariadenia závislé od tvaru napájacieho napätia - informačné systémy, osvetlenie, elektrické pohony, meničové aplikácie. Akustické nízkofrekvenčné rušenie pôsobí v pásme do 10 khz, kde vplýva na informačné 4

16 systémy - telefóny, rozhlas, riadiace, oznamovacie a informačné sústavy. Zdrojmi akustického nízkofrekvenčného rušenia sú všetky energetické zdroje (zvlášť meniče s polovodičovými súčiastkami) i systémy číslicového prenosu dát, radary a napájacie siete s frekvenciou 50 a 400 Hz. Do kmitočtov medzi 10 khz aţ 400 GHz zaraďujeme interferenčné rádiové zdroje. Tie spôsobujú vysokofrekvenčné rušenie. Zo zdroja elektromagnetického rušenia sa rušivý signál môţe šíriť vedením po napájacích a signálnych vodičoch alebo vyţarovaním do priestoru Priemyselné zdroje rušenia Častou deformáciou napájacieho napätia sú harmonické zloţky, ktoré vznikajú v transformátoroch s nelineárnou magnetickou charakteristikou. Najväčšími zdrojmi priemyselného rušenia sú však riadené (tyristorové) polovodičové meniče vysokých výkonov. Tie vytvárajú harmonické kmitočty aţ do 30 MHz. V napájacích sieťach sa nachádza mnoţstvo prechodových javov. Tie vznikajú pri mechanickom spínaní stýkačov a ističov vplyvom kapacity a indukčnosti siete. Na kontaktoch vzniká vysoké napätie a častá je aj prítomnosť oblúkových výbojov. Po zapálení oblúku napätie na kontaktoch klesne skokom na nulu a oblúk zaniká. Napätie na kontaktoch opäť narastá a výboj sa môţe niekoľkokrát opakovať. Takto vznikajú strmé pílovité impulzy s nábeţnou hranou len niekoľko ns a napätím viac ako 1 kv. Prepäťové impulzy sa dajú odstrániť tak, ţe zabezpečíme pomalší nárast napätia na kontaktoch, pouţijeme ochrannú atmosféru (ktorá potláča vznik oblúku) alebo spínacie prvky nahradíme bezkontaktovými - napr. tyristormi. Tie ale spôsobujú iný charakter rušenia. Tyristorovým spínaním veľkých prúdov vznikajú periodicky sa opakujúce napäťové impulzy, ktoré deformujú priebeh napájacieho napätia a ich kmitočtové spektrá zasahujú do desiatok MHz. Preto sa tyristorové spínače, meniče ani regulátory nesmú zapájať priamo do siete bez vhodných filtrov. 5

17 Podobným spôsobom vplývajú na sieť aj spínané zdroje počítačov a inej modernej spotrebnej elektroniky. Reguláciou výstupného napätia pomocou PWM vznikajú strmé spínacie impulzy a s nimi aj veľké mnoţstvo vyšších harmonických. Obr. 3.1: Najčastejšie poruchy v napájaní Zdroje prepätí V dnešnej dobe sa častejšie a častejšie stretávame s rastúcou poruchovosťou a klesajúcou spoľahlivosťou voči škodlivým prepätiam. Je to spôsobené rastúcou hustotou súčiastok na doskách plošných spojov. Integrované obvody s niekoľko desiatkami tisíc súčiastkami na jednom čipe sú oveľa náchylnejšie aj na nízke prepätia s malou energiou. Uţ jednotky voltov dokáţu poškodiť štruktúru súčiastky. Je to spôsobené úzkymi vodivými cestami a tenkými izolačnými vrstvami. Ďalším nepriaznivým faktorom je rýchlosť dnešných polovodičových súčiastok. Tie reagujú na čoraz kratšie rušivé signály. Dá sa teda konštatovať, ţe rastúca citlivosť moderných súčiastok na rušenie je daň platená technickému pokroku. Energeticky najsilnejším zdrojom prepätia je atmosférický výboj - blesk. Vzniká strmý elektromagnetický impulz s nepriaznivými aţ deštrukčnými účinkami. Nábeţná hrana impulzu trvá do 10 µs, zaniká do 1 ms a veľkosť prúdu dosahuje aţ 200 ka. Okrem náboja, aţ 300 C a celkovej energie 10 MJ, vzniká aj silné magnetické pole. 6

18 Účinok úderu blesku do energetickej siete sa šíri celou sústavou aţ po zriadenia prepäťových ochrán - bleskoistky, varistory. Medzi časté poruchy integrovaných obvodov dochádza aj vplyvom lokálnych elektrostatických výbojov ESD (Electrostatic Discharge). S ich nepriaznivým vplyvom treba počítať všade tam, kde nastáva trenie medzi časticami - pevnými, kvapalnými aj plynnými. Elektrostatické napätie najčastejšie vzniká pri chôdzi, pohybe končatín, tj. pri trení častí odevov a môţe dosahovať napätie aţ 15 kv voči zemi. Takéto vysoké napätie je pre elektronické súčiastky zničujúce. Vybíjací impulz je veľký a veľmi rýchly. V priebehu ns dosiahne vybíjací prúd aţ niekoľko desiatok A, následne klesá k nule. K elektrostatickým výbojom najčastejšie dochádza, ak sú splnené tieto tri podmienky: obsluha strojov pouţíva oblečenie zo syntetických vláken, pracovné povrchy (podlahy) majú vysoký izolačný odpor a nízka vlhkosť vzduchu okolia. Zvýšením vlhkosti vzduchu pracovného prostredia, pouţívaním antistatických povrchov a oblečenia z prírodných materiálov sa dá elektrostatickým výbojom predchádzať. Obr. 3.2: Závislosť napätia elektrostatických výbojov od vlhkosti prostredia 7

19 Elektrostatický výboj môţe ovplyvniť funkciu súčiastky priamo - prechodom cez ňu alebo indukciou na priľahlé vodiče. Drobné výboje nemusia spôsobiť okamţité zničenie integrovaných obvodov, môţu však rapídne zníţiť ich ţivotnosť a to zúţením vodivých ciest prípadne poškodením izolačných vrstiev. Obr. 3.3: Prechod výboja súčiastkou Obr. 3.4: Prechod výboja krytom 8

20 3.2 OBMEDZENIE RUŠENIA V praxi sa vyuţívajú všetky tri spôsoby zamedzujúce šíreniu rušenia - na výstupe zdroja rušenia, na vstupe prijímača rušenia ako i na prenosovej ceste medzi nimi. Pouţívajú sa jednotlivo, v kombináciách alebo všetky spolu. Rozlišujeme: - odrušovacie tlmivky - odrušovacie kondenzátory - odrušovacie filtre - prepäťové ochranné prvky - tieniace prvky Vhodnosť pouţitia rôznych ochrán závisí od spôsobu šírenia rušenia. Rozlišujeme šírenie vedením alebo vyţarovaním. Pre vedené rušenie sú vhodné tlmivky, kondenzátory, filtre a prepäťové ochrany. Rušenie vyţarovaním sa obmedzuje pouţitím tieniacich prvkov. Nevhodný výber a návrh odrušovacieho prvku môţe mať za následok nielen neefektívnosť ochrany, ale môţe spôsobiť aj poškodenie zariadenia, či dokonca ohroziť bezpečnosť obsluhy. Podmienkou správnej voľby odrušovacích prostriedkov je znalosť ich vlastností, parametrov, súčasne znalosť chránených obvodov a charakter rušenia. 9

21 3.2.1 Odrušovacie tlmivky V odrušovacej technike sú to zväčša najnákladnejšie a rozmerovo najväčšie prvky. Zapájajú sa sériovo medzi zdroj a odrušovanú záťaţ a preto sú ich rozmery závislé od veľkosti pretekaného prúdu. Obr. 3.5: Zapojenie tlmivky do obvodu Útlm filtra: L = 20. log U 20 U 2 ωl 20. log db pre Z Z + Z S << ωl Z s +Z Z (3.1) L 0 db pre Z Z + Z S >> ωl (3.2) Kde U 2 je napätie na Z Z pri pouţití filtra. U 20 je napätie na Z Z bez pouţitia filtra. Obr. 3.6: Náhradná schéma reálnej tlmivky 10

22 Preto je zjavné, ţe tlmivku môţeme pouţiť len v nízko impedančných obvodoch, kde je Z Z + Z S << ωl. Z náhradnej schémy reálnej tlmivky je zrejmé, ţe jej pouţitie vo vysokofrekvenčných obvodoch nie je vhodné. Kaţdá tlmivka vykazuje okrem indukčnosti aj stratový odpor vinutia a parazitnú kapacitu. Táto kapacita spôsobuje, ţe sa tlmivka správa ako rezonančný obvod, ktorý nad svojim rezonančným kmitočtom má kapacitný charakter, tj. zniţuje sa veľkosť útlmu. Poţiadavky na ideálnu odrušovaciu tlmivku: - veľká indukčnosť pri malých rozmeroch, hmotnosti a cene - vysoký rezonančný kmitočet - minimálne parazitné kapacity - maximálne činné straty mimo napájacieho kmitočtu - nezávislosť indukčnosti od pretekajúceho prúdu Rozlišujeme: a) tlmivky pre potlačenie symetrickej zloţky rušenia - pracovný a rušivý prúd pretekajú rovnakým smerom, b) tlmivky pre potlačenie nesymetrickej zloţky rušenia - tlmivky s tzv. prúdovou kompenzáciou. Fázový a nulový vodič sú navinuté na spoločnom jadre, majú opačné magnetické toky, preto sa vzájomne rušia. 11

23 3.2.2 Odrušovacie kondenzátory Zapájajú sa paralelne k chránenej záťaţi a to samostatne, alebo sa spájajú do kondenzátorových filtrov. Obr. 3.7: Zapojenie odrušovacieho kondenzátora Útlm filtra: L = 20. log U 20 U log ωc. Z s. Z Z Z s + Z Z db pre Z Z a Z S >> ωc (3.3) L 0 db pre Z Z a Z S <<ωc (3.4) Kde U 2 je napätie na Z Z pri pouţití filtra. U 20 je napätie na Z Z bez pouţitia filtra. Obr. 3.8: Náhradná schéma reálneho kondenzátora 12

24 Na rozdiel od tlmiviek sú odrušovacie kondenzátory vhodné najmä vtedy, ak pri rušivých frekvenciách je vnútorná impedancia siete a záťaţe oveľa vyššia ako reaktancia kondenzátora, tj. vo vysoko impedančných sieťach. Podobne ako tlmivky, aj reálne kondenzátory majú parazitné vlastnosti - indukčnosť prívodov a zvodový odpor. Indukčnosť spolu s kapacitou vytvára rezonančný obvod. Nad jeho rezonančným kmitočtom má odrušovací kondenzátor stále odrušovací charakter, no jeho útlm klesá. Z tohto dôvodu sa uprednostňujú kondenzátory s čo najkratšími prívodmi. Veľkosť kapacity odrušovacieho kondenzátoru volíme podľa kmitočtu rušenia. Platí pravidlo, ţe čím je niţší kmitočet odrušovacieho pásma, tým väčšiu kapacitu volíme. Tabuľka 3.1: Odporúčané hodnoty odrušovacích kondenzátorov Tabuľka 3.2: Oblasti použitia rôznych druhov dielektrika kondenzátorov Keďţe podstatou odrušovacieho kondenzátora je skratovanie rušivého napätia k zemi, musíme brať ohľad aj na prierazné napätie. Preto rozlišujeme dva typy kondenzátorov. Kondenzátory typu X sa pouţívajú v aplikáciách, kde ich prípadný prieraz nemôţe ohroziť bezpečnosť obsluhy. Trieda Y sa pouţíva tam, kde je obmedzená maximálna prípustná hodnota zvodového prúdu. 13

25 3.2.3 Odrušovacie filtre K dokonalejšej ochrane pred pôsobením vysokofrekvenčného rušenia šíriaceho sa po vedení sa pouţívajú odrušovacie filtre, najčastejšie dolnopriepustné LC filtre. Dnes najviac pouţívaným typom filtra je sieťový odrušovací filter, ktorý sa zapája do energetickej napájacej siete alebo do napájacieho vstupu zariadenia. Útlm filtra: L = 20. log U 20 U 2 = 20. log Z Z Zs + Z Z. A 11 + Obr. 3.9: Zapojenie filtračného člena 1 Zs + Z Z. A 12 + Zs. Z Z Zs + Z Z. A 21 + Zs. A Zs + Z 22 (3.4) Z Kde U 2 je napätie na Z Z pri pouţití filtra. U 20 je napätie na Z Z bez pouţitia filtra. A 11, A 12, A 21, A 22 sú kaskádne parametre filtra. Zo vzťahu vyplýva, ţe vlastnosti filtra nie sú závislé len od jeho členov, ale aj od impedancií záťaţe a zdroja. Preto sa môţe stať, ţe katalógové hodnoty útlmu filtrov môţu byť odlišné od skutočne nameraných. Pre zabezpečenie správnej funkcie sieťového filtra je potrebné aj správne umiestnenie. Vhodným riešením je umiestnenie filtra na vstupné svorky tak, aby rušivé sieťové signály vstupovali do zariadenia jedine cez filter. Pre správnu funkciu filtra je rovnako potrebné uzemnenie jeho krytu. Efektívnejšou ochranou pred vysoko energetickými impulzmi sú sieťové filtre s pouţitím prepäťových ochrán - bleskoistiek, varistorov a rýchlych ochranných diód. 14

26 3.3 OBMEDZENIE PREPÄTÍ Prepäťovými ochrannými prvkami nazývame prvky schopné potlačiť vysoké prepätia ako sú atmosférické výboje, lokálne elektrostatické výboje či spínacie procesy v sieti. Zástupcom hrubej prepäťovej ochrany je plynom plnená výbojka - bleskoistka. Medzi prvky jemnej prepäťovej ochrany patria varistory, Zenerove diódy a špeciálne supresorové diódy. Tieto prvky majú rozličné ochranné napätie, reakčné časy ako aj schopnosť absorbovať energiu. Tabuľka 3.3: Parametre prepäťových ochrán Bleskoistky Sú predstaviteľom hrubej prepäťovej ochrany. Bleskoistka je zloţená z dvoch elektród v sklenenom alebo keramickom puzdre naplneneným vzácnym plynom (Ar, Ne) pod slabým tlakom. Preto dokáţe zabezpečiť presnosť a opakovateľnosť parametrov výboja. Pri nízkom napätí má bleskoistka odpor Ω a kapacitu menšiu neţ 10 pf. Z toho vyplýva, ţe nezapálená bleskoistka nemá takmer ţiaden vplyv na systém, v ktorom je zapojená. Hneď ako sa zvýši napätie na elektródach nad hodnotu tzv. zápalného napätia, bleskoistka sa "zapáli", dôjde ku galvanickému spojeniu 15

27 elektród, prepätie sa skratuje a výboj v nej trvá po dobu trvania prepätia. Odpor klesá takmer na nulu a napätie sa udrţiava na 10 aţ 100 V. Veľkou nevýhodou bleskoistiek je ich dlhá doba odozvy a veľká závislosť zápalného napätia na strmosti nárastu prepätia. Konštrukčne sa bleskoistky vyrábajú s drôtovými vývodmi alebo v podobe kapslí s plošnými kontaktmi Varistory Varistor patrí medzi prvky s jemnou prepäťovou ochranou. Je to nelineárny napäťovo závislý polovodičový rezistor so symetrickou V-A charakteristikou. Varistor obmedzuje prepätie na určitú hodnotu, takmer nezávislú od pretekaného prúdu. V pracovných podmienkach má odpor Ω a preteká ním zanedbateľný prúd. Po prekročení ochranného napätia sa odpor varistoru rapídne zníţi na jednotky Ω a preteká ním vysoký prúd, z ktorého dokáţe značnú časť absorbovať. Varistorové napätie, pri ktorom začína V-A charakteristika prudko stúpať, musí byť väčšie ako maximálne prevádzkové napätie. Varistory majú vysokú vlastnú kapacitu, preto nie sú vhodné na pouţitie vo vysokofrekvenčných obvodoch Zenerove a supresorové diódy Patria medzi najmodernejšie polovodičové prvky jemnej ochrany pred prepätiami. Zenerove diódy sa pouţívajú v stabilizátoroch, obmedzovačoch, aj ako prepäťový ochranný prvok od 3 do 200 V. Pre lepšiu ochranu pred napäťovými špičkami boli vyvinuté špeciálne kremíkové lavínové tzv. supresorové diódy, ktoré sú v porovnaní so Zenerovými diódami rýchlejšie, majú väčšiu prúdovú zaťaţiteľnosť i absorpciu. Zvyčajne sú zapuzdrené ako dvojica antisériových diód. Vznikne tak bipolárna súčiastka so symetrickou V-A charakteristikou. 16

28 Tabuľka 3.4: Porovnanie rôznych zdrojov prepätí Zdroj prepätia Trvanie impulzu Nábeţná hrana Amplitúda blesk 10 μs 1 μs 1 kv spínacie procesy v sieti 1 μs 100 ns 1 kv elektrostatický výboj 10 ns 1 ns 10 kv Keďţe kaţdá spomínaná súčiastka má svoje výhody aj nevýhody a neexistuje dokonalý ochranný prvok, zvyknú sa ochranné obvody zapájať kaskádne do spoločných vedení. Tu sa vyuţíva vysoká prúdová zaťaţiteľnosť hrubých ochrán a rýchlosť jemných ochrán. Takto vznikajú kombinované ochrany, ktoré spájajú výhody všetkých prvkov. Keďţe rýchlejšie prvky jemnej ochrany by reagovali rýchlejšie ako pomalšia hrubá ochrana, je potrebné zabezpečiť oneskorenie. To sa dosiahne sériovým zapojením RC alebo LC prvkov (Z 1, Z 2 ). Príslušnú kapacitu zabezpečujú uţ samotné prepäťové ochrany. Stačí do obvodu zapojiť rezistory s odporom > 5 Ω alebo cievky s indukčnosťami > 20 µh. Obr. 3.10: Kaskádne zapojenie prepäťových ochrán 17

29 4 KONCEPČNÝ A TECHNICKÝ NÁVRH ÚČINNEJ OCHRANY KRITICKÝCH ELEKTRONICKÝCH PRVKOV V REŤAZCI MODULOV VÁŢENIA 4.1 DEFINÍCIA PROBLÉMU Statická elektrina vzniká nahromadením náboja na povrchoch materiálov vplyvom nerovnováhy elektrónov, ktoré vytvárajú elektrické pole. Ak sa stretnú dva objekty s rôznym potenciálom, vznikne medzi nimi výboj. Existujú rôzne spôsoby ako tento rozdiel potenciálov vzniká: trením, indukciou, presunom iónov alebo kontaktom s iným nabitým telesom. Najčastejšie je to však trením dvoch nenabitých predmetov. Ich stykom a následným vzďaľovaním sa presúvajú elektróny z jedného predmetu do druhého. Preto materiály, ktoré strácajú elektróny, sa stávajú pozitívne nabitými, a tie ktoré elektróny prijímajú sa nabijú záporne. Veľkosť statického náboja závisí od viacerých faktorov: materiálu, veľkosti plochy kontaktu, rýchlosti dotýkania sa a relatívnej vlhkosti okolia. Čím je vyššia vlhkosť prostredia, tým sa telesá nedokáţu nabiť na podstatne vyššie elektrostatické napätie, pretoţe častice vodných pár spôsobujú vybíjanie náboja. Elektrostatický výboj preskočí medzi dvoma nabitými predmetmi vtedy, ak sa priblíţia na menšiu vzdialenosť ako je prierazné napätie vzduchu medzi nimi. Smer a veľkosť výboja závisí od materiálov nabitých telies. Tabuľka 4.1: Typická polarita izolačných materiálov Materiál Elektrostatická polarita ovzdušie, ľudská pokoţka, sklo, vlasy nylon, vlna, hodváb, hliník, papier, bavlna oceľ, vlna, tvrdá guma, nikel, meď, mosadz, striebro zlato, platina, hodváb, polyester, polystyrén, polyuretán polyvinylchlorid, kremík, teflón, kremičitá guma prevaţne pozitívna (+) prevaţne negatívna (-) 18

30 Z tabuľky je zrejmé, ţe vzduch, ľudská pokoţka a vlasy majú pozitívny náboj, naopak guma, plasty nesú negatívny náboj. Objekty, ktoré sú v tabuľke ďalej od seba, produkujú vyššie elektrostatické napätie ako tie, ktoré sú bliţšie pri sebe. Izolátory, vďaka ich vysokému odporu, dokáţu vytvárať najvyšší náboj. Ten ostáva na povrchu, keďţe sa kvôli vysokému odporu nemôţe presúvať. Naopak, ak vznikne náboj na vodiči, rozptýli sa v celom objeme predmetu. 19

31 4.2 VPLYV ESD NA INTEGROVANÉ OBVODY Ako bolo spomínané v predchádzajúcej časti, elektrostatický výboj je beţným fenoménom v prírode. Napätie dosahuje niekoľko kv a vybíja sa extrémne rýchlo. Nábeţná hrana dosiahne maximum do 1 ns, čím môţe pri zásahu súčiastky spôsobovať jej elektrické preťaţenie - EOS (electrical overstress). Za elektrické preťaţenie sa povaţuje kaţdá udalosť, ktorá je sprevádzaná prúdom, napätím, výkonom alebo teplotou inou ako prevádzkovou. Takéto preťaţenia sprevádzajú súčiastky od výroby aţ po vyradenie z prevádzky. Prvé preťaţenia nastávajú uţ pri samotnej výrobe, preprave a skladovaní. Spôsobujú to najmä syntetické priemyselné podlahy, výrobné nástroje a prepravné kontajnery. Ako sa technológie mikroelektroniky vylepšovali a vznikali prvé nanometrické integrované obvody (IO), začali sa čoraz častejšie objavovať problémy so spoľahlivosťou. Úzke vodivé cesty a tenké izolačné vrstvy pouţívané v dnešných vyspelých technológiách IO uţ naznačujú istú citlivosť na ESD. Štúdie za posledné dve desaťročia ukazujú, ţe práve vplyvom ESD a EOS bolo zničených aţ 70% zo všetkých zlyhaných IO. Integrované obvody po zásahu ESD môţu byť zničené jedným alebo kombináciou z týchto dôvodov: vysokej prúdovej hustoty, vysokého napätia alebo lokálneho prehriatia. Odpor kremíka sa so zvyšujúcou teplotou zniţuje. Ak sa zvyšuje jeho teplota, zvyšuje sa aj hodnota pretekaného prúdu, čo má za následok fatálne prehriatie. Kremík sa taví pri teplote 1412 C, hliníkové vývody pri 660 C a medené pri 1034 C. Kým sa však vyprodukované teplo odvádza ekvivalentnou alebo väčšou rýchlosťou ako sa tvorí, k prehriatiu nedôjde. Miesta defektov v štruktúre, ako i ostré ohyby vodivej cesty môţu počas EOS spôsobiť zlyhanie skôr ako na iných miestach. ESD môţe súčiastku len poškodiť (zníţi sa jej spoľahlivosť a ţivotnosť) alebo definitívne zničiť. ESD má 4 hlavné fázy: vznik náboja, preskočenie výboja, vedenie impulzu a zánik. Stratégia ochrany pred ESD spočíva v minimalizácii vznikajúceho náboja a jeho kontrolovanom vedení - účinnou ochrannou technikou. Ideálna ochrana pred ESD musí spĺňať tri poţiadavky: reakčný čas kratší ako 1 ns, schopnosť viesť prúd minimálne 3 A pri čo najniţších výkonových stratách. 20

32 4.3 OBMEDZOVACIA OCHRANA Je to kategória súčiastok, na ktorých keď napätie prekročí určitú hranicu, prúd prudko vzrastie, pričom napätie sa uţ ďalej nemení. Typickým príkladom je P-N dióda alebo Zenerova dióda P-N dióda Predstavuje najjednoduchšiu efektívnu ochranu pred ESD. Priepustne orientovaná dióda má nízky úbytok napätia (typicky 0,5 aţ 0,7 V), malé rozmery a je schopná viesť pomerne vysoké prúdy počas ESD výboja. Jej odpor je veľmi nízky, zvyčajne menej ako 1 Ω. Kvôli takto nízkemu odporu a úbytku napätia má P-N dióda nízky stratový výkon, preto sa jej priechod neprehrieva a je schopná viesť aj spomínané veľké prúdy. Záverne orientovaná dióda nie je vhodná na pouţitie pred následkami ESD, pretoţe má v závernom smere veľký odpor. Priechodom preteká len zanedbateľný prúd. Väčší prúd by mohol pretekať len po prerazení P-N priechodu vyšším napätím. Kvôli vysokému odporu má veľké výkonové straty, čo sa môţe prejaviť aj na teplote priechodu. Keďţe ňou ale preteká malý záverný prúd, dá sa P-N dióda zapojiť tak, aby počas ESD bola zapojená v priepustnom smere, kým v normálnej prevádzke by bola zapojená záverne. Vo vysokofrekvenčných aplikáciách sa namiesto pouţitia jednej priepustne orientovanej diódy vyuţíva sériové zapojenie dvoch alebo viacerých diód. Na obrázku je znázornené zapojenie spolu s parazitnou kapacitou a odporom. 21

33 Obr. 4.1: Sériové zapojenie diód s ich parazitnými vlastnosťami Ak sa pouţije toto zapojenie, všetky diódy by mali byť rovnaké. Výsledný odpor a kapacita sa vypočíta podľa vzťahu pre sériové zapojenie rezistorov a kondenzátorov. R p = R 1 + R R n = nr 1 (4.1) C p = 1 1 C1 + 1 C Cn = 1 C n (4.2) Zo vzťahov vyplýva, ţe ak je pouţitých n diód, kapacita sa n-násobne zníţi a odpor sa n-násobne zvýši. To predurčuje takéto zapojenie vo vysokofrekvenčných obvodoch. Merania však preukázali, ţe ak sa pouţijú viac ako tri diódy, parazitná kapacita sa prestane zniţovať. Spôsobuje to vplyv ďalších parazitných kapacít, ktoré ale nie sú zapojené v sérii. Naopak, zvýši sa odpor a rozmery ochrán. Pouţitím troch diód sa hodnota prechádzaného prúdu zníţi asi o 1%, čo je zanedbateľné. Preto je potrebné zváţiť počet diód a vplyv ich parazitných vlastností. Optimálnou voľbou vo vysokofrekvenčných obvodoch sa javí vyuţitie práve troch diód. 22

34 Výhody P-N diód sú zjavné, no ich problémom je vysoký reakčný čas, čo je v prípade digitálnych váh rozhodujúce. Preto P-N dióda nespĺňa všetky potrebné poţiadavky Zenerova dióda Okrem klasickej P-N diódy sa dá na ochranu obvodov pouţiť aj záverne orientovaná Zenerova dióda. Zvyčajne sa pouţíva ako sekundárne zariadenie, ktoré pomáha hlavným prvkom ochrany. Pre pouţitie v ochrane pred ESD digitálnych váh však nie je vhodná kvôli veľkému reakčnému času. 23

35 4.4 SPÍNANÁ OCHRANA Ak napätie prekročí spúšťacie napätie, napätie na súčiastke sa zníţi a obvodom začnú prechádzať vysoké prúdy s niţším napätím, tj. s niţšou výkonovou stratou. Spínané ochrany sú rýchle a malé, ale často nie sú vhodné pre pouţitie v napájacích obvodoch. Niektoré typy rušenia môţu spôsobiť, ţe napätie na ESD ochrane prekročí spúšťacie napätie. Ak je maximálne napájacie napätie vyššie neţ prídrţné napätie, tak by ochrana mohla ostať aktívna s veľmi vysokými prúdmi tečúcimi zo zdroja do ESD ochrany, čo by bolo pre ňu zničujúce. Spínaná ochrana musí mať otváracie napätie vyššie ako napájacie, ale niţšie ako prierazné napätie a tepelný prieraz by mal nastať pri čo najväčšom moţnom prúde. Obr. 4.2: V-A charakteristika spínaných ochrán 24

36 4.4.1 MOSFET Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME V CMOS technológii má kaţdý NMOS tranzistor parazitný NPN bipolárny tranzistor. V priebehu normálnej činnosti NMOS tranzistoru je tento parazitný tranzistor zavretý. Môţe byť aktivovaný vplyvom ESD a vzhľadom k tomu, ţe tento tranzistor má veľký prípustný prúd, môţe v priebehu ESD odviesť značné mnoţstvo prúdu. Ochranné obvody s NMOS tranzistorom môţu byť navrhnuté s uzemneným hradlom alebo s viazanou kapacitnou väzbou. Základná konfigurácia je práve s uzemneným hradlom. Keď nastane ESD, indukovaný prúd je injektovaný do drain NMOS tranzistoru. Potom, čo sa nahromadí v celom substráte, dôjde k lavínovému prierazu. Prierazom generovaný tok elektrónov tečie smerom ku drain, zatiaľ čo diery smerujú k substrátu. Tento prúd spôsobuje úbytok napätia a odporu substrátu. Prúd sa ďalej zvyšuje a keď sa napätie zvýši nad 0,7 V, otvorí sa priechod source - substrát. ESD preteká cez substrátový PNP tranzistor a prúdová schopnosť NMOS tranzistoru sa výrazne zvýši. S ďalším zvyšovaním prúdu drainu prejde NMOS do tepelného prierazu - sekundárneho prierazu, čo má za následok tepelné zničenie súčiastky. Aby NMOS tranzistor mohol chrániť obvod pred ESD, musí spĺňať tieto poţiadavky: 1. zapínacie napätie (V t1 ) na drain musí byť niţšie ako prierazné napätie tranzistora, 2. udrţiavacie napätie (V h ) musí byť vyššie ako zapínacie napätie (V t1 ), inak by sa tranzistor vypol, 3. prúd, tečúci ochranou (I t2 ) by mal byť čo najväčší. To určuje robustnosť ochrany, 4. ochranné napätie (V t1 ) musí byť vyššie ako napájacie (V DD ) o pribliţne 10 aţ 20 %. V praxi je pomerne zloţité zabezpečiť všetky štyri podmienky pre jednu súčiastku. Preto ani v našom prípade nie je pouţitie MOSFET vhodné. 25

37 4.4.2 Tyristor Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME Tyristor (SCR - Silicon Controlled Rectifier) je ďalším zariadením spínaných elektrických ochrán pred ESD. Skladá sa z P-N-P-N štruktúry. Kde P+ difúzia do N substrátu je anóda a N+ difúzia do P substrátu je katóda. V ESD ochranách sa spája N substrát s anódou do napájacieho pinu a P substrát sa spája s katódou na zem. Keď napätie medzi anódou a katódou prekročí spínacie napätie, dôjde k zopnutiu tyristora a odpor prechodu sa zníţi. V zopnutom stave má SCR nízke napätie medzi anódou a katódou a tým aj nízku výkonovú stratu. Prídrţné napätie musí byť vyššie ako napájacie, aby sa tyristor nezapol uţ pri napájacom napätí. Ako pri predchádzajúcich prvkoch, ani pouţitie tyristora nespĺňa časovú podmienku Transil Je to súčiastka, ktorá má podobnú V-A charakteristiku ako Zenerova dióda, jej pouţitie v ESD obvodoch je však omnoho výhodnejšie. Má vlastnosti spínaných aj obmedzovacích ochrán. Rozoznávame jednosmerné a obojsmerné transily. Jednosmerný transil chráni pred prepätiami jednej polarity, obojsmerný dokáţe chrániť pred prepätiami oboch polarít, chová sa obdobne ako antisériové zapojenie dvoch Zenerových diód. Ak je na jednosmernom priepustne orientovanom transile napätie niţšie ako spínacie, jeho vplyv v obvode je zanedbateľný. Ak sa však napätie zvýši nad spínacie napätie, transil sa otvorí a obmedzuje zvyšujúce sa napätie na hodnotu spínacieho napätia. Aby sa transil naspäť zavrel, je potrebné, aby sa napätie zníţilo na hodnotu spínacieho napätia. V záverne orientovanom smere má blokujúci charakter. Transily sú schopné pohltiť pomerne značný krátkodobý výkonový impulz (aţ 5000 W), rozhodne sa však nehodia k trvalému zaťaţeniu. Ich reakčný čas nedosahuje viac ako 10 ps, čo pre ESD s nábeţnou hranou trvajúcou priemerne 1 ns je ideálne. Preto sa transily javia ako vhodné súčiastky pre obmedzenie vplyvu ESD na elektronické moduly. Podobnými súčiastkami sú aj trisily. Tie na rozdiel od transilov 26

38 zvyšujúce napätie neobmedzujú na veľkosť spínacieho napätia, ale zopínajú sa a ich napätie sa zníţi. Obr. 4.3: V-A charakteristika transilu Obr. 4.4: V-A charakteristika trisilu 27

39 4.5 ZAPOJENIE NAVRHOVANEJ OCHRANY Dnešné elektronické výrobky často zhŕňajú komplex subsystémov, napr. analógových, digitálnych, vysokofrekvenčných, pamäťových, DSP zariadení, kontrólerov, atď. Obr. 4.5: Rozloženie IO na doske digitálnych váh Kaţdý z týchto subsystémov môţe mať rôzne poţiadavky pre napájacie napätie, preto je problematické chrániť všetky subsystémy a súčiastky rovnako. Pre digitálne IO je potrebné zabezpečiť ochranu kaţdého pinu, keďţe ESD môţe prejsť ktorýmkoľvek pinom. Na obrázku je jednoduchá schéma typická pre nízkonapäťové integrované obvody s jedným zdrojom. 28

40 Obr. 4.6: Schéma zapojenia ochrán pre každý pin IO Takáto ochrana by bola síce efektívna, ale jej prevedenie by bolo veľmi náročné. Preto je snaha chrániť práve tie IO a piny, u ktorých je najvyššia pravdepodobnosť zničenia pri zásahu ESD. Analýzou zapojenia a sledovaním v prevádzkových podmienkach sa zistilo, ţe najkritickejším prvkom je práve AD prevodník. Dokonca výrobca (ANALOG DEVICES) pouţitého prevodníka vo svojom uţívateľskom manuáli upozorňuje na riziko poškodenia výrobku pri ESD. Obr. 4.7: Upozornenie v užívateľskom manuáli V preklade: "UPOZORNENIE. Súčiastka je citlivá na elektrostatický výboj. Elektrostatické napätie na ľudskom tele alebo testovacích zariadeniach môţe dosahovať aţ 4000 V a môţe sa nepozorovateľne vybiť. Síce prevodník AD7730 má proprietárne ochranné obvody chrániace pred elektrostatickým výbojom, výboje 29

41 s vysokou energiou ho dokáţu nenávratne zničiť. Preto je potrebné zabezpečiť náleţitú ochranu a tým predísť zníţeniu výkonu, prípadne strate funkčnosti. Obr. 4.8: Zapojenie jednosmerného transilu medzi vstup AD prevodníka a zem 30

42 Tabuľka 4.2: Parametre navrhovanej ochrany - jednosmerný transil P6KE6V8A Parameter Hodnota Jednotky Špičkový impulzný stratový výkon 600 W Maximálny špičkový priepustný prúd po dobu dlhšiu ako 10 ms 100 A Maximálne záverné napätie 5,8 V Záverný prúd pri maximálnom závernom napätí 1 ma Obmedzovacie napätie 6,8 V Záverný prúd pri zopnutí 10 ma Maximálny prúd pri špičke10/1000 µs 57 A Prierazné napätie pri špičke 10/1000 µs 10,5 V Maximálny prúd pri špičke 8/20 µs 298 A Prierazné napätie pri špičke 8/20 µs 13,4 V Kapacita 4 nf Obr. 4.9: Tvar špičky 10/ nábežná hrana dosiahne maximum do 10 µs a poklesne na 50% svojej maximálnej hodnoty do 1000µs 31

43 4.6 NÁVRH NOVÉHO PREVODNÍKA Ako bolo spomínané v predchádzajúcich kapitolách, integrované obvody sú náchylné na ESD. Ďalším moţným riešením ochrany je doplnenie IO prevodníka o vnútorné obvody prepäťových ochrán. Ich realizácia je pomerne náročná, keďţe poţiadavky na ochranu sú špecifikované takto: - obmedziť napätie odvedením ESD prúdu - rýchle zopnutie - pod 1 ns - čo najvyššia prúdová zaťaţiteľnosť - minimálne 3 A po dobu 150 ns - nízky odpor v zopnutom stave - malá plocha čipu - čo najniţšia kapacita - nízka citlivosť na vysokú teplotu - odolnosť voči opakovaným impulzom - čo najniţší vplyv na funkciu chráneného obvodu Výroba takého prevodníka je moţná, ale vyţaduje si značné mnoţstvo skúseností a testovania v laboratórnych podmienkach. 32

44 4.7 GALVANICKÉ ODDELENIE Je mnoţstvo situácií, kde je potrebné prenášať signály alebo dáta z jedného subsystému do druhého bez toho, aby boli priamo elektricky spojené. Často je to spôsobené tým, ţe zdrojový a cieľový prvok majú odlišné napäťové nároky na signály. Taktieţ sa týmto spôsobom dá zamedziť vplyvu rušenia a prepätí. V takýchto situáciách je vyţadované izolované spojenie. Jedným riešením je pouţitie relátok, ktoré poskytujú potrebnú izoláciu, sú však v porovnaní s dnešnými miniatúrnymi IO pomerne objemné. Keďţe pracujú na elektromechanickom princípe, nie sú veľmi spoľahlivé ani rýchle Obmedzenie prepätí pouţitím optočlena V aplikáciách, kde sú potrebné malé rozmery, vysoká rýchlosť a spoľahlivosť, je výhodnejšou alternatívou pouţitie optočlena. Tie pouţívajú na prenos signálu priestorom lúč svetla. Optočleny sa obvykle vyrábajú ako malé IO, zloţené z dvoch rozličných zariadení. Je to optický vysielač - obvykle svetlo emitujúca dióda - LED (light-emitting diode) na jednej strane a optický prijímač - zvyčajne fototranzistor na strane druhej. Tieto dva prvky sú oddelené priehľadnou bariérou blokujúcou priechod prúdu, ale zároveň umoţňujúcou prechod svetla. Základný princíp je naznačený na obrázku. Obr. 4.10: Vnútorná štruktúra optočlena 33

45 Aby optočleny odolali vysokému napätiu, aţ 8 kv, ich vstupné a výstupné konektory sú fyzicky umiestnené čo najďalej od seba, tj. na opačných stranách puzdra. Optočleny sú zvyčajne vyuţívané na oddelenie digitálnych signálov, analógové signály dokáţu prenášať len v určitom pásme frekvencií prípadne po PWM (pulznej a šírkovej) modulácii. Najdôleţitejším parametrom optočlenov je pomer výstupného prúdu ku vstupnému (CTR - current transfer ratio). Zvyčajne je to 10 aţ 50 % pre optočleny s fototranzistorom prípadne aţ 2000 % pri pouţití darlingtonového zapojenia tranzistorov. Treba mať ale na pamäti to, ţe pre LED je vhodný prúd len okolo 10 ma. Ďalšími podstatnými parametrami optočlenov sú: maximálne výstupné napätie, šírka prenášaného frekvenčného pásma (0 aţ 30 MHz) a maximálne ochranné napätie (do 8 kv) Zapojenie optočlena Väčšina optočlenov je konštruovaná tak, ţe dokáţe prenášať len signál impulzného (diskrétneho) charakteru. Výstupom z tenzometra digitálnych váh je však analógová hodnota. Aby sa dal pouţiť klasický optočlen, musela by byť analógová hodnota diskretizovaná a prevedená na frekvenciu závislú od amplitúdy vstupného signálu. To si ale vyţaduje zapojenie AD prevodníka, ktorý by bol opäť náchylný na prepätia. Tým by sme sa vrátili ku pôvodnému problému. Existujú aj optočleny pre oddelenie analógových signálov s vysokým stupňom linearity. Takýto optočlen je zloţený z jednej LED ako vysielača optického ţiarenia a dvoch fotodiód vo funkcii prijímača. Vysielacia dióda je vysoko svietivá LED zloţená z polovodičového Al-Ga-As (hliník, gálium, arzén) materiálu. Obe prijímacie fotodiódy (PD1, PD2) pracujú rovnako. Vytvárajú prúd lineárne závislý od svetelného toku vysielacej LED. Jedna prijímacia fotodióda je pouţitá ako výstup optočlena. Druhá môţe byť pouţitá ako spätná väzba, na základe ktorej je riadený prúd prechádzajúci LED, no vôbec nemusí byť v obvode zapojená. Blízke umiestnenie vysielača a prijímača, ako aj zdokonalená úprava vnútorného povrchu optočlena zabezpečuje vysokú linearitu (aţ 99,95 %) a stabilnú hodnotu zisku (gain). 34

46 Obr. 4.11: Vnútorná stavba analógového optočlena Obr. 4.12: Schéma galvanického oddelenia použitím optočlena Na vstup V IN sa privádza signál z tenzometra. Výstup V OUT je pripojený na vstup AD prevodníka. 35

47 Tabuľka 4.3: Parametre navrhovanej ochrany - optočlen HCNR201 Parameter Hodnota Jednotky Maximálna nelinearita 0,05 % Zisk prenosu ± 5 % Šírka prenášaného pásma 1 MHz Napájanie 5 V (DC) Prenášaný signál Analógový V (DC) Najvyššie ochranné napätie 8 kv Izolačný odpor pri 500 V >10 13 Ω Prúd vysielacou LED 1-20 ma Napájacie napätie LED pri 10 ma 1,6 V Reverzné prierazné napätie 9 V Vstupno výstupná kapacita 0,4 pf 36

48 5 ZÁVER Cieľom tejto diplomovej práce bolo navrhnúť efektívnu ochranu pred škodlivými prepätiami vznikajúcimi v procese váţenia produktov. Poukázať na rôzne spôsoby vzniku, charakteru a spôsobov šírenia rušenia a prepätí. Zistiť účinok týchto nepriaznivých vplyvov na funkciu a ţivotnosť citlivých zariadení. Oboznámiť sa s rôznymi spôsobmi obmedzovania vplyvu nepriaznivých prepätí. Našli sme súčiastku, ktorá je v systéme váţenia kritická a hľadali sme moţnosti jej ochrany. Zistili sme, ţe sú tri hlavné podmienky, ktoré musia byť splnené súčasne, aby bola jej ochrana efektívna. Výška ochranného napätia, prúdové preťaţenie a rýchlosť reakcie ochrany sú v tomto prípade kľúčové. Skúmaním rôznych ochranných súčiastok sme vybrali tú, ktorá všetky tieto podmienky spĺňa. Ako najvhodnejšie sa zdá zapojenie transilu. Ten poskytuje dostatočnú ochranu a spĺňa všetky tri podmienky dokonale. Ďalším ochranným prvkom, ktorý sa dá efektívne pouţiť a spĺňa všetky podmienky je galvanické oddelenie pouţitím analógového optočlena. Ten má výhodu v tom, ţe prenášaný signál nie je elektricky prenášaný zo vstupu na výstup. Navyše ani nevyţaduje diskretizáciu analógovej veličiny. Pri písaní tejto diplomovej práce som sa nestretol so ţiadnymi závaţnými problémami, ktoré by bránili jej dokončeniu. 37

49 Zoznam pouţitej literatúry [1] Amerasekera, A. - Duvvury, C. ESD in Silicon Integrated Circuits. 2. vyd. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd., s. ISBN [2] DATASHEET HCNR201 [3] DATASHEET AN574 [4] DATASHEET P6KE [5] Dúbravský, J. - Dobrovič, A. Galvanicky oddelené merania analógových signálov (1). AT&P JOURNAL. 1999, č. 12, s [6] Dřínovský, J. a kol. Elektromagnetická kompatibilita. Ústav radioelektorniky. Brno [7] HORSKÝ, P. Elektrostatický výboj (ESD) a testování jeho vlivu u integrovaných obvodů. Electronic Engineering Magazine. 2008, č. 1, s [8] HORSKÝ, P. Ochrana integrovaných obvodů proti elektrostatickému výboji. Electronic Engineering Magazine. 2009, č. 1, s [9] HORSKÝ, P. Poškození integrovaných obvodů vlivem elektrostatického výboje. Electronic Engineering Magazine. 2008, č. 2, s [10] OPTOCOUPLERS: WHEN & HOW TO USE THEM. Electus Distribution [11] Semenov, O. - Sarbishaei, H. - Sachdev, M. ESD Protection Device and Circuit Design for Advanced CMOS Technologies. Waterloo: Springer, s. ISBN

50 ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, ţe som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Pavela Pavláska PhD. a pouţíval som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapoţičiavaním diplomovej práce. V Ţiline dňa podpis

51