Время срабатывания TVS диодов, Защита входов микроконтроллера PIC16F73 Опции

[IgorAVR2]

Добрый день.

Есть плата (не я автор), у которой шлейфы порядка 50-100 метров через резистор 270 ом подключены к микроконтроллеру PIC16F73. После резистора стоит стабилитрон BZX84 на 4,7 вольта. Входы используются как входы АЦП. Заказчик жалуется что при попадании на них 12 вольт выгорают ноги микроконтроллера, а они правда иногда выгорают.

Взял я спаял резистор и стабилитрон и посмотрел что там после стабилитрона получается. Получилось что кратковременные импульсы доходят до 7,5 вольт.


Слишком медленно срабатывание стабилитрона подумал я и поставил TVS - esda5v3l. Но ситуация не изменилась. В целом такие же всплески превышающие защитное напряжение, так же примерно до 7,5 вольт.



По описание PICа напряжение на входах не должно превышать напряжение питания плюс 0,3 вольта, то есть не больше 5,3 вольт в моём случае. Не знаю насколько плохо для PICа такое кратковременное превышение, но видимо плохо, раз ноги горят.

Почему не успевает быстрее срабатывать TVS диод, если по разным описаниям они должны срабатывать за пикосекунды? Как с эти бороться кроме гальванической развязки?

Сообщение отредактировал IgorAVR2 - Feb 25 2017, 16:56

[EvilWrecker]

После резистора стоит стабилитрон BZX84 на 4,7 вольта.

TVS надо ставить ДО, резистора- а не после . Резистор ограничит ток который будет проходить через защитные диоды внутри МК, соответственно основной удар придется именно на TVS. Т.е цепочка "вход-TVS-резистор-мк".

И неплохо также учитывать такое явление как clamping voltage. Но при таком диоде и DC 12В все равно что-то сгорит.

[Огурцов]

пикосекунды? Как с эти бороться кроме гальванической развязки?

конденсатор ?

[NeonS]

Вам бы привести фрагмент схемы для лучшего понимания. Например, Вы не указали напряжение питания контроллера, не описали как организованы A/D входы, их входное сопротивление и так далее. Совершенно непонятно об источнике 12 вольт, как о потенциальной опасности. Могу лишь напомнить, что 100 метров провода - это неслабая индуктивность порядка 150мкГн и такая же эффективная антенна. Подключать такое счастье напрямую в A/D всегда проблемно: желательно либо заботиться о демпфировании, либо огранизовывать крепкую защиту как clamp.

[EvilWrecker]

Вам бы привести фрагмент схемы для лучшего понимания

А лучше и участок платы в том месте- причем так чтобы было хорошо видно организацию земель. Если она петлей по всей плате и твс включен ниткой километровой- то толку конечно же нет от него.

[IgorAVR2]

конденсатор ?

Конденсатор не помогает, ставил на 1 нФ и на 100 нФ.

Вам бы привести фрагмент схемы для лучшего понимания. Например, Вы не указали напряжение питания контроллера, не описали как организованы A/D входы, их входное сопротивление и так далее. Совершенно непонятно об источнике 12 вольт, как о потенциальной опасности. Могу лишь напомнить, что 100 метров провода - это неслабая индуктивность порядка 150мкГн и такая же эффективная антенна. Подключать такое счастье напрямую в A/D всегда проблемно: желательно либо заботиться о демпфировании, либо огранизовывать крепкую защиту как clamp.

В моём случае схема это и есть резистор, а за ним стабилитрон или TVS - тупо взял и спаял их отдельно для эксперимента, осциллограммы с них. А на плате так и организованно резистор последовательно между самим входом и ножкой МК и со стороны МК стабилитрон, больше ничего нету по входам. Напряжение питания контроллера 5 вольт. Откуда берутся 12 вольт у заказчика я сам не знаю, возможно не правильный монтаж, я же их брал с блока питания.
И т.к. плата не моей разработки и часть плат уже спаянно, то вопрос стоит как с минимальными навесными "напайками" решить эту проблему.

[Огурцов]

Конденсатор не помогает, ставил на 1 нФ и на 100 нФ.

а резистор ? схему, короче, и плату

[IgorAVR2]

А лучше и участок платы в том месте- причем так чтобы было хорошо видно организацию земель. Если она петлей по всей плате и твс включен ниткой километровой- то толку конечно же нет от него.

К сожалению у меня нету рисунка платы, но никакого криминала там нет с точки зрения разводки. А вот по факту, с электрической точки зрения, на контроллер поступает напряжение выше допустимого даже без учёта платы.

а резистор ? схему, короче, и плату

Схема которую спаял отдельно с которой снял осциллограммы. Конденсатор ставлю или нет ситуация не меняется и картинка тоже. VD1 это или стабилитрон или TVS.

Сообщение отредактировал IgorAVR2 - Feb 25 2017, 17:55

[@Ark]

... вопрос стоит как с минимальными навесными "напайками" решить эту проблему.

Если минимальными действиями, то:
1) Замените последовательный резистор 270ом, на резистор 2КОм (или больше).
2) Параллельно стабилитрону (или вместо него) поставьте керамический конденсатор 0,1мкф.
Этого должно быть достаточно.


Сообщение отредактировал @Ark - Feb 25 2017, 17:56

[IgorAVR2]

Если минимальными действиями, то:
1) Замените последовательный резистор 270ом, на резистор 2КОм (или больше).
2) Параллельно стабилитрону (или вместо него) поставьте керамический конденсатор 0,1мкф.
Этого должно быть достаточно.

1) Это у нас последний и запасной вариант, т.к. на шлейфах висят резисторы и придётся менять их. Об этом думали но пока решили отложить это.
2)Конденсатор вообще не помогает - с ним пики те же как оказалось. Я тоже думал что конденсатор решит все проблемы, а нет. По крайне мере с резистором на 270 ом.

[NeonS]

После входного резистора лучше поставить два диода шоттки "враспорку", то есть один на землю, а другой на питание контроллера при условии достаточного конденсатора по питанию. Входной конденсатор (вместе с входным резистором) определяет полосу пропускания сигнала для A/D, поэтому увеличивать его безнаказанно нельзя, к сожалению. Применение обычных стабилитронов ниже 5.6В в сигнальных цепях нежелательно из-за больших токов утечек.

[EvilWrecker]

Схема которую спаял отдельно с которой снял осциллограммы.

Между диодом и конденсатором резистор включите и "проверьте".

После входного резистора лучше поставить два диода шоттки "враспорку", то есть один на землю, а другой на питание контроллера при условии достаточного конденсатора по питанию.

Годится только для слабеньких импульсов статики.

[IgorAVR2]

И неплохо также учитывать такое явление как clamping voltage. Но при таком диоде и DC 12В все равно что-то сгорит.

Как понимать clamping voltage ? Если это максимальное значение при котором может сработать стабилитрон или TVS то он всё равно меньше намного чем у меня на практике получается.

[@Ark]

1) Это у нас последний и запасной вариант, т.к. на шлейфах висят резисторы и придётся менять их. Об этом думали но пока решили отложить это.
2)Конденсатор вообще не помогает - с ним пики те же как оказалось. Я тоже думал что конденсатор решит все проблемы, а нет. По крайне мере с резистором на 270 ом.

Конденсатор нужно непосредственно к ноге пика ставить, и обязательно в сочетании с резистором достаточного номинала.
Вы посчитайте, какой мгновенный ток пойдет через ногу пика и встроенный защитный диод - в питание пика (или в землю), если, к примеру,
наведется вольт 50 (с запасом). И сопоставьте с разрешенными 25мА через защитные диоды.
Почему такие "выбросы" пропускают TVS или супрессоры - это отдельный вопрос...

Входной конденсатор (вместе с входным резистором) определяет полосу пропускания сигнала для A/D, поэтому увеличивать его безнаказанно нельзя, к сожалению.

Конечно, нельзя. Но для большинства применений - даже резистор 10К и конденсатор 0.1мкф - вполне приемлемый вариант.
Кроме специальных случаев, которые нужно рассматривать отдельно.

[IgorAVR2]

Почему такие "выбросы" пропускают TVS или супрессоры - это отдельный вопрос...

Так вот собственно это основной вопрос на который я хочу получить ответ. Почему он не успевает срабатывать на короткие (десятки наносекуд) импульсы, хот я по идее должен?

[EvilWrecker]

Как понимать clamping voltage ?

Как написано

Если это максимальное значение при котором может сработать стабилитрон или TVS то он всё равно меньше намного чем у меня на практике получается.

Потому что в вашей схеме сначала срабатывают диоды в мк.

[IgorAVR2]

Конечно, нельзя. Но для большинства применений - даже резистор 10К и конденсатор 0.1мкф - вполне приемлемый вариант.
Кроме специальных случаев, которые нужно рассматривать отдельно.

Видимо нам так и придётся сделать, тем более что аналоговый сигнал у нас вообще статичный - это охранные шлейфы с концевым резистором который надо измерять.
Но основной мой вопрос - почему не срабатывает вовремя TVS ?

[EvilWrecker]

Видимо нам так и придётся сделать, тем более что аналоговый сигнал у нас вообще статичный - это охранные шлейфы с концевым резистором который надо измерять.
Но основной мой вопрос - почему не срабатывает вовремя TVS ?

Вам что-нибудь говорит данное изображение вкупе с ссылкой на документ в предыдущем посте?

[IgorAVR2]

Вам что-нибудь говорит данное изображение вкупе с ссылкой на документ в предыдущем посте?

Да, да говорит. И документ посмотрел. По вашему у TVS на 5,3 вольта Clamping Voltage до 7,5 ?
По документации до 5,9 вольт - именно такое напряжение у него указанно как максимальное. Но никак не 7,5.

Сообщение отредактировал IgorAVR2 - Feb 25 2017, 18:32

[@Ark]

К сожалению у меня нету рисунка платы, но никакого криминала там нет с точки зрения разводки. А вот по факту, с электрической точки зрения, на контроллер поступает напряжение выше допустимого даже без учёта платы.

Схема которую спаял отдельно с которой снял осциллограммы. Конденсатор ставлю или нет ситуация не меняется и картинка тоже. VD1 это или стабилитрон или TVS.

В вашей схеме не хватает, собственно, самого пика, с его защитными диодами, схемой питания и конденсаторами, которые стоят на питании -
это повлияет на результат измерения. Я бы заменил номиналы в вашей схеме на R1=2K и C1=100nF. Попробуйте, этого должно быть достаточно.

[EvilWrecker]

Да, да говорит.

Все же видимо не говорит, раз задаете снова тот же вопрос. Еще раз, в первую очередь у вас срабатывают диоды в МК- в приведенной вами схеме твс практически бесполезен. В мк схема защиты абсолютно такая же о какой говорит NeonS(только диоды гораздо слабее)- по совершенно очевидным причинам она быстрее чем твс.

[Огурцов]

Конденсатор ставлю или нет ситуация не меняется и картинка тоже. VD1 это или стабилитрон или TVS.

а дроссель ?

[IgorAVR2]

Все же видимо не говорит, раз задаете снова тот же вопрос. Еще раз, в первую очередь у вас срабатывают диоды в МК- в приведенной вами схеме твс практически бесполезен. В мк схема защиты абсолютно такая же о какой говорит NeonS(только диоды гораздо слабее)- по совершенно очевидным причинам она быстрее чем твс.

То что в любом современном МК стоят защитные диоды на каждом выводе я знаю. И напряжение их срабатывания уж точно больше 5 вольт. Только почему вы решили что они однозначно быстрее?

а дроссель ?

Дросселя нет, вся надежда на стабилитрон была и резистор у того кто разрабатывал эту схему.

[EvilWrecker]

И напряжение их срабатывания уж точно больше 5 вольт.

Ага, особенно в любых 3.3В микроконтроллерах, да. Мне не хочется этого говорить но мне кажется вы не знаете как диод работает.

Только почему вы решили что они однозначно быстрее?

Свойства схемы и самого диода+ разница в конструктивном исполнении.

[@Ark]

То что в любом современном МК стоят защитные диоды на каждом выводе я знаю. И напряжение их срабатывания уж точно больше 5 вольт. Только почему вы решили что они однозначно быстрее?

Защитные диоды в МК работают не так, как ваш стабилитрон. Надеюсь, Вы это понимаете и объяснять не нужно.
Критичными параметрами являются - предельно допустимый ток через защитные диоды (20-25мА), и подъем напряжения питания выше допустимого (5,5В).
Даже если очень кратковременно (но многократно) эти параметры будут превышены - то ваше устройство может выйти из строя. Может, не сразу - со временем...

[IgorAVR2]

Ага, особенно в любых 3.3В микроконтроллерах, да. Мне не хочется этого говорить но мне кажется вы не знаете как диод работает.

Свойства схемы и самого диода+ разница в конструктивном исполнении.

Ну понятное дело что у нас не 3,3 вольта, я же написал -PIC16F73.
Как работает диод и что такое напряжение пробоя диода я хорошо понимаю, не волнуйтесь. Но вот какие "свойства схемы" и "конструктивные исполнения" однозначно вам дают понять что встроенные в МК диоды быстрее внешнего TVS мне непонятно. Может для PICов и указанно где то в документации, что они используют самые быстрые в мире защитные диоды, ими я не занимаюсь особо, но вот для STMов разных я не припомню такого параметра, хоть специально и не искал. Зато знаю что производители микроконтроллеров, зачастую, так же рекомендуют ставить внешние защитные диоды и то что они всё равно не успеют сработать тоже не слышал.

Защитные диоды в МК работают не так, как ваш стабилитрон. Надеюсь, Вы это понимаете и объяснять не нужно.

Нужно! Нужно объяснить. Не понимаю в чём принципиальная разница и почему они однозначно быстрее. По этой логике, если диоды в микроконтроллере всегда быстрее, то они всегда на себя будут брать удар и внешние защитные диоды никогда не нужны, т.к. всё равно никогда не успеют сработать.

[@Ark]

Нужно! Нужно объяснить. Не понимаю в чём принципиальная разница и почему они однозначно быстрее. По этой логике, если диоды в микроконтроллере всегда быстрее, то они всегда на себя будут брать удар и внешние защитные диоды никогда не нужны, т.к. всё равно никогда не успеют сработать.

Тогда, для начала, посмотрите в даташите схему входного порта пика.
Защитные диоды там не работают на "пробой", они работают в прямом включении,
когда напряжение на входе порта больше напряжения питания пика, или меньше нуля.

[EvilWrecker]

Как работает диод и что такое напряжение пробоя диода я хорошо понимаю, не волнуйтесь. Но вот какие "свойства схемы" и "конструктивные исполнения" однозначно вам дают понять что встроенные в МК диоды быстрее внешнего TVS мне непонятно.

Поэтому я и полагю что не знаете Ну и выше одно из важнейших отличий упомянул @Ark. Погуглите по теме ESD/EFT подробнее, вне рамок вашей схемы- мне просто как в случае с clamping voltage лень снова копировать первые ссылки из поисковика.

Может для PICов и указанно где то в документации, что они используют самые быстрые в мире защитные диоды, ими я не занимаюсь особо, но вот для STMов разных я не припомню такого параметра, хоть специально и не искал.

Да нет, у них у всех общий принцип- схема описанная NeonS. В масштабе кристалла мощи у них разумеется немного, но как уже неоднократно говорилось у них высокое быстродействие: как минимум гораздо выше чем у general purpose TVS из вашей схемы. Такую защиту можно конечно перенести и на больший масштаб- например сборкой, или ставить ультрабыстрые супрессоры для USB, HDMI, GBE и пр- но какой в этом смысл если в вашей схеме нужно всего лишь изменить порядок включения компонентов? Нет, если интересен спорт и сильно желаете упереться рогами- ничего страшного, это понятно. Но зачем эти демагогии, которые по большей части отсылают к вашим пробелам в знании, когда уже можно было по-быстрому спаять другую тестовую схему(с другим порядком) и проверить?

Если так непонятно, тогда не знаю даже - попробуйте отмасштабировать на другие мощности посмотреть скажем у Phoenix Contact УЗИП на RS-485, а после спросить себя: что будет если убрать резисторы?

[IgorAVR2]

Тогда, для начала, посмотрите в даташите схему входного порта пика.
Защитные диоды там не работают на "пробой", они работают в прямом включении,
когда напряжение на входе порта больше напряжения питания пика, или меньше нуля.

Да, всё верно. Вы все правы, они будут работать в прямом включении, поэтому им и срабатывать нечего, сразу проводят.
P.S. В даташите на PIC рисовать схему не стали, а просто словами написали. Посмотрел на схему порта AVR, вдумался... Схемы портов у всех одинаковые.


Всё, понял. Значит и мне нужны в прямом включении внешние, но помощнее чем встроенные.

[@Ark]

Всё, понял. Значит и мне нужны в прямом включении внешние, но помощнее чем встроенные.

Шотки ставят внешние, для этого... В совсем уж тяжелых случаях....
Но у Вас, по моему, все можно решить без таких излишеств...

[IgorAVR2]

Поужинал , всё обдумал и всё понял. Так видимо и происходит как мне описали - срабатывают, срабатывают внутренние диоды, а потом не выдерживают и кирдык. При это мне же сразу и посоветовали поставить внешние такие же так же к плюсу и минусу питания, а я не сразу к этому пришёл, т.к. думал что они срабатывают на пробой.


Будем как минимум ставить бОльший резистор на вход.
Всем огромное спасибо! Тему можно закрывать.