David Forde, Analog Devices, visar här hur man effektivt skyddar analoga ingångar enligt IEC 61000.

Högspända transienter kan komma in via ett systems analoga in- och utgångar och skada integrerade kretsar om dessa inte är ordentligt skyddade. De analoga in- och utgångsbenen i moderna integrerade kretsar skyddas normalt mot högspända transienter från elektrostatisk urladdning (ESD).

Den mänskliga kroppsmodellen (HBM), maskinmodellen (MM) och “laddade komponent”-modellen (CDM) är de standarder som används för att mäta en komponents förmåga att motstå elektrostatisk urladdning. Dessa test är utformade så att en komponent klarar tillverknings- och kortmonteringsprocessen, som vanligtvis sker i en skyddad miljö.

System som arbetar i tuffa elektromagnetiska miljöer måste kunna motstå högspända transienter på in- och/eller utgångsnoderna. Och vid övergång från standarder på komponentnivå till standarder på systemnivå för skydd mot högspända transienter är det stor skillnad på de energinivåer som överförs till anslutningsbenet på en integrerad krets. Därför måste kretsar som gränsar direkt till sådana in- och utgångsnoder i systemet även vara ordentligt skyddade att motstå högspända transienter på systemnivå. Om man inte åtgärdar skyddet tidigt under konstruktionsarbetet kan det leda till ett otillräckligt systemskydd, försenad produktlansering och sämre systemprestanda. Artikeln beskriver hur känsliga analoga in- och utgångsnoder skyddas mot transienter på de nivåer som berörs av IEC-standarden.

Fig 1. IEC-systemskydd för noggranna analoga ingångar.

Standarden IEC 61000
IEC 61000 är den standard som behandlar EMC-skydd på systemnivå. De tre avsnitt av standarden som berör högspända transienter är IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 och IEC 61000-4-5. Detta är standarderna på systemnivå för elektrostatisk urladdning (ESD), snabba elektriska transienter (EFT) respektive urladdningar. Standarderna definierar vågformerna, testmetoderna och testnivåerna för utvärdering av immuniteten hos el- och elektronikutrustning när dessa utsätts för sådana transienter.

Det främsta syftet med test enligt IEC 61000-4-2 är att bestämma systemens immunitet mot elektrostatisk urladdning utanför systemet när detta arbetar. Ett exempel är om ett systems in-/utgång kommer i kontakt med en laddad människa, kabel eller ett verktyg. IEC 61000-4-2 specificerar test med två kopplingsmetoder: kontakturladdning och lufturladdning.

Test av snabba transienter, enligt IEC 61000-4-4, består i att ett antal extremt snabba transienter läggs på signalernas ledningar.  De störande transienterna representerar externa switchade kretsar som kopplas kapacitivt till signalledningarna. Testet speglar transienter från kontakter som kopplar om induktiva eller kapacitiva laster, något som är vanligt förekommande i industrimiljöer.

Urladdningstransienter orsakas av överspänning från switch- eller blixttransienter. Switchtransienter kan vara ett resultat av till- och frånkopplade kraftsystem, lastförändringar i kraftöverföringssystem. det kan också vara fråga om olika systemfel, som exempelvis kortslutning och gnistbildning i installationens jordningssystem. Blixttransienter kan uppstå från höga strömmar och spänningar som tillförs kretsen från blixtnedslag i närheten.

Undertrycker transientspänningar
En undertryckare av transientspänningar (TVS, transient voltage suppressor) kan användas för att undertrycka överspänning. De kan användas för att begränsa eller låsa (eng. clamp) höga spänningstransienter och leda bort höga strömmar från känsliga kretsar. De grundläggande parametrarna för en TVS är:
* Högsta fungerande backspänning: Den spänning under vilken ingen ledning av betydelse sker
* Genombrottsspänning: Den spänning vid vilken viss specificerad ledning sker
* Maximal låsspänning: Den maximala spänning som uppträder över kretsen vid specificerad maxström

Man måste ta hänsyn till flera faktorer när en TVS används på ett systems in- eller utgång. En elektrostatisk urladdning, eller en snabb transient, kommer att ge en mycket snabb (1 ns till 5 ns) transient. Den resulterar initialt en överspänning på systemingången, innan TVSen låser till sin genombrottsspänning.

Urladdningar ger en annan momentan vågform: Pulsen har långsam stigtid (1,2 µs) och lång varaktighet (50 µs). I det fallet kommer spänningen att initialt låsas vid överslagsspänningen, men den kan fortsätta att öka till TVS maximala låsspänning. TVSens lägsta klampspänning måste dessutom vara högre än samtliga tolererade DC-överspänningar, som kan orsakas av kabelfel, strömavbrott eller användarfel, för att hindra att TVSen drar kontinuerlig ström i detta läge och skadas.

Samtliga tre situationer kan på kretsars ingångar nedströms orsaka en potentiellt skadlig överspänning som inte kan kan eller får hindras av TVSen utan som kräver ytterligare skydd.

Skyddskrets för analog ingång
För att fullt ut skydda ett systems in-/utgångsnod måste systemet skyddas mot DC-överspänning och högspända transienter. En noggrann och tålig switch för överspänningsskydd (OVP) kan så används på systemingången tillsammans med TVS för att skydda känsliga kretsar nedströms (exempelvis A/D-omvandlare eller en förstärkares in- och utgångar). Överspänningsskyddet kan blockera överspänning och undertrycka restströmmar som inte avleds till jord av TVS.

Fig 2. Blockschema som visar hur en överspänningsskyddande switch fungerar.

Observera att den överspännningsskyddande switchen inte har skyddsdioder mot elektrostatisk urladdning för ingångsnoden. Istället har den en skyddscell mot elektrostatisk urladdning som går igång över kretsens maximala brytspänning, vilket möjliggör för kretsen att stå emot och blockera spänning över dess matningsspänning. Eftersom ett analogt system normalt bara kräver att anslutningsbenen på utsidan av switchen är IEC-skyddade, finns skyddsdioder mot elektrostatisk urladdning kvar på internt riktade anslutningsben (benämnda switchens utgång eller drain). Dioderna fungerar som en sekundär skyddskrets. Vid snabba förlopp är spänningen för en högspänd transient med snabb stigtid likt ESD eller EFT låst så att den inte når kretsar nedströms. Vid långa förlopp med en högspänd transient med långsam stigtid liknande strömrusning, begränsas switchens utspänning av de interna skyddsdioderna innan switchens överspänningsskydd aktiveras och switchen öppnas så att felet isoleras från kretsar nedströms.

Fig 3 visar funktionsområden för en systemingång som gränsar mot den yttre världen. Området längst till vänster (i grönt) representerar normal drift, där inspänningen ligger inom områdena för matningsspänningen. Det andra området från vänster (i blått) representerar de olika möjliga ihållande DC- eller långverkande AC-överspänningar som läggs på ingången på grund av strömavbrott, kabelfel eller kortslutning. Skissen inkluderar även, längst till höger (i lila), triggerspänningen för överspänningsswitchens ESD-skydd. Överslagsspänningen för TVS (i brandgult) måste väljas så att den är mindre än den maximala brytspänningen för den överspänningsskyddande switchen och även större än samtliga kända möjliga ihållande DC- eller långvariga AC-överspänningar, för att undvika att TVS aktiveras av misstag.

Fig 3. Systemets funktionsområden.
Skyddskretsen i fig 4 kan motstå elektrostatisk urladdning på upp till 8 kV för kontakturladdning och 16 kV för lufturladdning, snabba transienter på 4 kV och urladdningsspänning på 4 kV. ADG5412F (en ±55 V överspänningsskyddande och -detekterande krets med fyra SPST-switchar från Analog Devices) kan motstå överspänning orsakad av elektrostatisk urladdning, snabba transienter och strömrusning, medan överspänningsskyddet tillsammans med skyddsdioderna på utgången skyddar och isolerar kretsar nedströms. Tabell 1 visar de högspända transientnivåer som ADG5412F kan motstå för olika kombinationer av TVS-spänningsöverslag och motstånd.

Fig 4. ADG5412F innehåller fyra uppsättningar skydd.

Tabell 1: Testresultat (I fallen med 33 V TVS och 45 V TVS genomfördes inte IECs test för luftgränssnittet)

Det skyddande nätverket består av en TVS och ett optimalt lågohmigt motstånd. Motståndet krävs för att åstadkomma högre nivåer av skydd mot elektrostatisk urladdning (ESD) och snabba transienter (EFT). Det förhindrar att den interna ESD-skyddscellen i överspänningsswitchen sätter igång innan TVS låser spänningen på ingången.

Fig 4 visar också de olika vägarna för strömmen under en högspänd transient. Den mesta delen av strömmen avleds till jord via TVS (väg I₁). Väg I₂ visar den ström som försvinner via de interna ESD-dioderna på ADG5412F-kretsens utgång, medan utspänningen begränsas till 0,7 V över matningsspänningen. Väg I₃ visar nivån på den restström som komponenter nedströms måste kunna motstå. Applikationsnoten AN-1436 från Analog Devices ger mer information om denna skyddskrets.

ESD-skydd enligt IEC

Fig 5. Testkrets.

Fig 6 och fig 7 visar mätningar gjorda för både en 8 kV kontakturladdning och en 16 kV lufturladdning. Det gäller för elektrostatisk urladdning enligt IEC med hjälp av testkretsen i fig 5.

Som beskrivits tidigare blir det en initial överspänning på matningsbenet (source) innan TVS låser spänningen till ungefär 54 V. Överspänningen på switchens utgång (drain) begränsas till 0,7 V över matningen. Mätningen av utströmmen visar den ström som flyter in i dioderna hos kretsen nedströms. Pulsens toppström är ungefär 680 mA och strömmen varar under endast cirka 60 ns.

Som jämförelse kommer en 1 kV elektrostatisk urladdning enligt den mänskliga kroppsmodellen (HBM) med en toppström på 660 mA att vara under 500 ns. Det är därför rimligt att dra slutsatsen att en komponent nedströms som är HBM ESD-märkt för 1 kV borde kunna motstå elektrostatisk urladdning enligt IEC på 8 kV för kontakturladdning och 16 kV för lufturladdning med hjälp av denna skyddskrets.

Fig 6. Spänning och utström på utgången vid 8 kV kontakturladdning.

Fig 7. Spänning och utström på utgången vid 16 kV lufturladdning.

EFT-skydd
Fig 8 visar en mätning gjord under en 4 kV snabb transient (EFT) puls. Liknande det som händer vid en ESD-transient, blir det en initial överspänning på matningsbenet innan TVS låser spänningen till ungefär 54 V. Spänningen över switchens utgång under denna överspänning är återigen låst till 0,7 V över matningen. Toppströmmen för den puls som flyter in i kretsen nedströms är i det här fallet endast 420 mA och strömmen varar endast under cirka 90 ns. Det kan återigen jämföras med elektrostatisk urladdning enligt mänskliga kroppsmodellen (HBM) – där 750 V har en toppström på 500 mA och varar under 500 ns. Den energi som överförs till benet hos kretsen nedströms under en 4 kV snabb transient är alltså mindre än för 750 V HBM elektrostatisk urladdning.
Fig 8. EFT-ström för en enda puls.

Skydd mot srömrusning
Mätningen i fig 9 visar resultatet för en 4 kV strömrusningstransient lagd på skyddskretsens ingång. Som nämnts tidigare kan spänningen på matningen öka bortom TVS överslagsspänning upp till dess högsta låsspänning. Switchen som skyddar mot överspänning i denna krets har en reaktionstid på cirka 500 ns och spänningen på kretsens utgång är låst till 0,7 V över matningen under denna första tidsperiod på 500 ns. Den toppström som flyter till kretsen nedströms är endast 608 mA under den tiden och efter ungefär 500 ns stängs switchen av och isolerar kretsar nedströms från felet. Återigen, detta är mindre än den energi som överförs under 1 kV HBM elektrostatisk urladdning.

Fig 9. Överspänningsskydd vid strömrusning.

Mångsidigt skydd
Den här artikeln beskriver hur man skyddar analoga in- och utgångar i integrerade kretsar mot högspända transienter, såsom beskrivs av standarderna IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 och IEC 61000-4-5.

Informationen ger systemkonstruktörer den kunskap som krävs för att konstruera skyddskretsar för systemets in och -utgångar samtidigt som följande fördelar erhålls:
* Enkel skyddskonstruktion
* Snabbare marknadsledtid
* Högre prestanda hos skyddskretsen till följd av att det krävs ett mindre antal diskreta komponenter
* Mindre värden på seriemotstånd i signalvägen
* Enkelt val av TVS på grund av bredare konstruktionsfönster för TVS
* Skydd på systemnivå för följande standarder: IEC 61000-4-2 16 kV lufturladdning, IEC 61000-4-2 8 kV kontakturladdning, IEC 61000-4-4 4 kV och IEC 61000-4-5 4 kV
* Skydd mot AC- och ihållande DC-överspänning på upp till ±55 V
* Avstängningsskydd på upp till ±55 V

David Forde [david.forde@analog.com] kom till Analog Devices 2006 som layoutkonstruktör efter examen i integrerad kretskonstruktion från Carlow Institute of Technology. 2011 erhöll han en masterexamen i VLSI-system från universitetet i Limerick och 2015 kom han till gruppen för instrumenterings- och precisionsteknik som applikationsingenjör med uppgift att stödja företagets analoga produkter för switchar och multiplexorer.

Filed under: Analogteknik