Где плюс где минус у диода: Как определить полярность светодиода?

Защита АЦП с диодом TVS

1. TI Training home
2. Лаборатория точности TI
3. TI Precision Labs — Преобразователи данных
4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
5. Электрическая перегрузка преобразователей данных
6. Защита АЦП с диодом TVS

Лаборатория TI Precision

МЕНЮ

• Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
  (81)

  • Основы цифровой связи (6)

  • Введение в аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (2)

  • SAR и дельта-сигма: понимание разницы (4)

  • Топологии преобразователя аналого-цифрового сигнала (АЦП) (5)

  • Источники ошибок (3)

  • Шум АЦП (13)

  • Характеристики переменного тока (5)

  • Конструкция входного драйвера аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного приближения (SAR) (8)

  • Управление опорным входом АЦП последовательного приближения (6)

  • Конструкция маломощной системы SAR ADC (2)

  • Электрическая перегрузка преобразователей данных (12)

  • Конструкция печатной платы для обеспечения ЭМС (8)

  • Основы высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (7)

• Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) (7)

Электронная почта

Здравствуйте и добро пожаловать в следующее видео из серии ADC TI Precision Lab об электрических перенапряжениях. В этом видео мы рассмотрим, как защитить преобразователи данных с помощью встречно-параллельных внутренних стабилитронов ESD, а также диодов защиты от электростатического разряда SCR-типа.
Этот тип схемы защиты полезен, когда диапазон входного напряжения шире, чем диапазон напряжения питания АЦП. Для этой структуры защиты от электростатического разряда мы будем использовать внешние диоды TVS и токовые резисторы. Помимо демонстрации того, как выбирать значения для компонентов защиты, мы также рассмотрим их влияние на производительность.
На этом слайде показан аналоговый входной каскад с внутренним встречно-параллельным входным защитным зажимом типа стабилитрона. Прежде чем более подробно рассмотреть этот зажим, давайте обсудим, почему простой диод ESD не подойдет для этого устройства. Обратите внимание, что это устройство имеет диапазон входного напряжения плюс/минус 10 вольт, но аналоговое питание составляет всего 5 вольт. В случае диода ESD он подключается между входом и источником питания, так что входное напряжение всегда фиксируется на напряжении источника питания плюс падение на диоде.
Если бы для этого устройства использовался диод ESD, входное напряжение было бы ограничено до 5,3 вольт. Таким образом, очевидно, что нам нужен другой тип зажима, когда входное напряжение выходит за пределы шины питания. Вот почему используется встречно-параллельная структура стабилитрона.
На кривой ВАХ слева видно, что в диапазоне линейного входного напряжения плюс/минус 10 вольт клещи не активны в состоянии высокого импеданса. В случае перенапряжения сигнала зажим включится чуть выше положительных 15 вольт и чуть ниже отрицательных 15 вольт. Обратите внимание, что это типичная кривая, и фактическое напряжение зажима будет варьироваться от устройства к устройству.
Глядя на абсолютные максимальные значения, вы можете видеть, что максимальный диапазон входного напряжения составляет плюс/минус 15 вольт, а максимальный диапазон входного тока составляет плюс/минус 10 миллиампер. Важно отметить, что только внутренний ограничитель не ограничивает входной сигнал ниже абсолютного максимального номинального напряжения. Поэтому рекомендуется использовать внешний зажим, который ограничивает сигнал менее 15 вольт и в условиях отказа. Тем не менее, общий подход к защите состоит в том, чтобы просто ограничить входной ток и полагаться на внутренний фиксатор для ограничения напряжения. Давайте быстро взглянем на это на следующем слайде.
В этой схеме используется внешний токоограничивающий резистор для ограничения тока при возникновении неисправности. В этом примере применяется размах синусоидального перенапряжения 48 вольт, поэтому напряжение на внешнем резисторе составляет 40 вольт минус напряжение фиксации 15 вольт. Деление на абсолютный максимальный входной ток 10 мА показывает, что минимальное значение последовательного ограничительного резистора составляет 2,5 кОм.
Для прибавления конструктивного запаса резистор выбран на 3 кОм больше. Результаты для этой конфигурации были измерены с помощью осциллографа на аналоговом входном контакте, и форма сигнала осциллографа показывает, что вход преобразователя данных ограничен плюс/минус 18 вольт. Как упоминалось ранее, это немного превышает максимальные пределы, но для кратковременных перенапряжений это эффективный метод защиты устройства.
С другой стороны, этот метод не рекомендуется для ситуаций, когда зажим может быть включен в течение длительного периода времени, так как это может снизить производительность и надежность устройства. Позже мы покажем схему внешнего фиксатора, которую можно использовать при непрерывных отказах EOS. Прежде чем двигаться дальше, давайте взглянем на измеренную производительность схемы.
На этом слайде показано, что на измеренные характеристики ADS8588S не влияет внешний токоограничивающий резистор сопротивлением 3 кОм. В этом измерении АЦП работает с полной частотой дискретизации, и измеренная производительность очень близка к типичной. На следующем слайде мы увидим, как использование токоограничивающего резистора большего размера может повлиять на производительность.
На этом слайде показан рисунок из техпаспорта ADS8588S, который демонстрирует, как ухудшается THD при добавлении внешнего последовательного сопротивления на вход. Причина, по которой это последовательное сопротивление влияет на характеристики, заключается в том, что оно взаимодействует с нелинейной входной емкостью и, следовательно, искажает входной сигнал. Эта нелинейность вызвана большим коэффициентом напряжения конденсатора. Как и следовало ожидать, при увеличении входного сопротивления входной ток уменьшается, что защищает устройство от электрических перенапряжений.
На предыдущих слайдах мы рассмотрели ADS8588S, который является примером преобразователя данных с аналоговым входным каскадом, который имеет внутренний встречно-параллельный стабилитронный фиксатор. Аналогичное устройство, ADS8688, также имеет встроенный аналоговый входной каскад, в котором для защиты входов используется внутренняя схема защиты от электростатического разряда типа SCR. Защита от электростатического разряда типа SCR предназначена только для защиты устройства от короткого замыкания. Это означает, что защита от электростатического разряда защищает устройство во время производства, тестирования и сборки, когда оно не включено. Этот тип защиты входа нельзя использовать для защиты устройства во время нормальной работы, так как он останется активным после срабатывания. Единственный способ отключить этот тип защиты — выключить и снова включить питание устройства.
Например, если на вход подается короткий импульс EOS, схема защиты SCR сработает и эффективно закоротит входы на землю. Защита SCR будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока питание устройства не будет отключено, и если устройство остается во включенном состоянии, а защита SCR находится в сработавшем состоянии, устройство, вероятно, получит необратимое необратимое повреждение. По этой причине невозможно защитить устройства с защитой входа тиристорного типа с помощью простого токоограничивающего резистора, который иногда используется с входными клещами Зенера. Далее мы рассмотрим схему внешнего ограничителя, которую можно использовать для защиты АЦП с защитой входа на основе SCR.
На этом слайде показана схема, в которой используется внешний двунаправленный TVS-диод и последовательный токоограничивающий резистор, обозначенный как Rp. Этот тип защиты может использоваться как для встречно-параллельной защиты входа Зенера, так и для защиты входа типа SCR. Ключевым моментом здесь является то, что внешние напряжения фиксируются до уровня, который предотвращает включение внутреннего зажима. Например, если на вход подается сигнал перенапряжения 48 В и используется внешний двунаправленный диод TVS, вход будет зафиксирован на уровне 12 В, а на токоограничивающем резисторе RP будет падать 28 В.
Цель RP — убедиться, что ток в диоде TVS не слишком велик. Во время перенапряжения ток не протекает через Rflt или во внутренние защитные зажимы. В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, как выбрать лучший диод TVS на основе его характеристик и как выбрать внешние резисторы и конденсаторы. Во-первых, напомню, что мы рассмотрим характеристики двунаправленного диода TVS. Двунаправленный TVS-диод на самом деле представляет собой всего лишь два встречно-параллельных однонаправленных TVS-диода, соединенных так, что они имеют одинаковые положительные и отрицательные пробои.
Во-первых, обратное напряжение пробоя, VR, представляет собой диапазон напряжений, в котором устройство может работать и при этом гарантировать низкую утечку. Характеристическая кривая справа показывает, что диапазон напряжения обратного зазора является максимальным линейным диапазоном входного напряжения для устройства. Если сигнал выходит за пределы диапазона напряжения обратного зазора, утечка будет увеличиваться, и в конечном итоге диод TVS выйдет из строя.
Для защиты входа АЦП напряжение пробоя диода TVS никогда не должно быть ниже абсолютного максимального значения для АЦП. Например, если абсолютный максимальный номинал АЦП составляет плюс/минус 15 вольт, напряжение пробоя должно быть ниже, например, плюс/минус 12 вольт. Для защиты входа АЦП напряжение пробоя диода TVS должно быть ниже абсолютного максимального номинала АЦП.
На этом слайде показан пример выбора TVS-диода для защиты ADS8588S. Во-первых, обратите внимание, что нормальный диапазон входного сигнала ADS8588S составляет плюс/минус 10 вольт, поэтому мы должны найти TVS-диод с минимальным обратным напряжением зазора 10 вольт. Далее обратите внимание, что абсолютное максимальное входное напряжение ADS8588S составляет плюс/минус 15 вольт, поэтому максимальное напряжение пробоя должно быть ниже 15 вольт. SMCJ10CA соответствует обоим этим критериям, поэтому это подходящее устройство для защиты TVS.
Другими характеристиками, которые следует учитывать, являются ток утечки, пиковая рассеиваемая мощность и обратная емкость. Ток утечки преобразуется в напряжение смещения при прохождении через защитный резистор. Рассеиваемая мощность является наиболее важной характеристикой, если через диод TVS может протекать большой переходный ток. Так как наша конструкция имеет последовательный токоограничивающий резистор, это маловероятно.
Хотя емкость не указана в таблице, ее обычно можно найти в виде графика в техническом паспорте диода TVS. С точки зрения характеристик искажения важно минимизировать эту емкость. Мы рассмотрим это подробно на следующих нескольких слайдах.
На этом слайде мы выберем резистор для последовательного ограничения тока для TVS-диода SMCJ10CA и конструкцию ADS8588S, которую мы рассматривали несколько слайдов назад. Целью резистора является ограничение тока в TVS-диоде, чтобы рассеиваемая мощность внешнего резистора и TVS-диода была ограничена. Одним из ключевых моментов, который необходимо понять, является то, что пиковое рассеивание мощности — это рассеивание мощности, которое устройство может выдержать в течение одной миллисекунды, тогда как рассеивание мощности в установившемся режиме относится к непрерывному сигналу постоянного тока. Мы разработаем нашу схему для постоянного входного напряжения неисправности 40 вольт постоянного тока.
Во-первых, давайте выберем резистор, который будет ограничивать ток короткого замыкания так, чтобы максимальная рассеиваемая мощность резистора была меньше 1 Вт. Это происходит, когда на резисторе находится максимальное напряжение, которое рассчитывается путем вычитания максимального входного напряжения из минимального напряжения на диоде TVS. Использование этого квадрата напряжения по отношению к мощности дает минимальное значение защитного резистора 835 Ом для RP. Для расчетного запаса номинал резистора округлим в большую сторону с 835 Ом до 1 кОм. Используя это значение резистора, мы можем рассчитать максимальный ток во время неисправности, который составляет 29миллиампер в данном случае.
Наконец, мы можем рассчитать мощность, рассеиваемую в диоде TVS, используя максимальный ток и максимальное напряжение на TVS, VC. Обратите внимание, что это очень консервативный подход, и фактическое напряжение на TVS должно быть намного меньше, чем на VC, потому что ток через него низок по сравнению с максимальным током. Рассчитанная максимальная мощность TVS для этого примера составляет 491 мВт, что значительно меньше номинальной мощности в 5 Вт в установившемся режиме.
Так, для этого примера резистор рассеивает приблизительно 1 ватт, а TVS рассеивает около половины ватта во время неисправности. Эта рассеиваемая мощность довольно высока и потребует мощного резистора. Вы можете использовать более крупный последовательный резистор, чтобы свести к минимуму требуемую номинальную мощность. Однако, как мы вскоре увидим, размер последовательно включенного резистора оказывает большое влияние на общую производительность.
Перед проверкой производительности нам нужно выбрать значения для Rflt и Cflt. В общем, при такой защите внутренний защитный зажим АЦП должен оставаться выключенным, потому что напряжение пробоя на внешнем TVS намного ниже напряжения пробоя внутреннего зажима. В этом примере напряжение пробоя внешнего TVS-диода в наихудшем случае составляет около 12,3 вольт, тогда как внутренний ограничитель включается при напряжении от 15 до 16 вольт.
Однако, если на вход подается очень большая кратковременная неисправность, через диод TVS могут протекать очень большие токи. Этот большой переходный ток может увеличить напряжение на TVS до точки, при которой внутренний зажим может включиться. В этом случае важно убедиться, что резистор Rflt может ограничить входной ток АЦП менее 10 мА.
Глядя на числа слева, вы можете видеть, что абсолютный максимум входного напряжения для АЦП составляет плюс/минус 15 вольт, а максимальный входной ток составляет плюс/минус 10 миллиампер. Для диода TVS максимальное напряжение будет 17 вольт, когда через него протекает ток 88,3 ампера. Обратите внимание, что этот большой пиковый ток может протекать только в течение короткого периода времени, но в течение этого времени внутренние входные клещи могут включиться. Предполагая, что максимальное напряжение на TVS составляет 17 вольт, а внутренний зажим включается при 15 вольтах, можно рассчитать минимальное значение резистора для Rflt не менее 200 Ом.
В этом случае оно округляется до 1 кОм. Емкость конденсатора Cflt обычно выбирается равной 1 нанофарад, поскольку это стандартная входная емкость, позволяющая свести к минимуму влияние радиопомех на вход. Значение Rflt можно настроить для выбора различных входных частот среза. Теперь, когда мы выбрали все компоненты, давайте проверим работоспособность схемы.
На этом слайде показаны измеренные характеристики БПФ и характеристик переменного тока для нашей примерной схемы, известные как большие гармоники вблизи основной гармоники. Также обратите внимание, что измеренный THD отрицательный 690,6 дБ, тогда как типичный THD, ожидаемый для преобразователя данных, составляет минус 110 дБ. Все эти измерения проводились при полной частоте дискретизации с входным сигналом частотой 1 кГц. Внешние компоненты для этого примера защиты значительно ухудшили характеристики искажения системы. На следующем слайде мы рассмотрим основные причины такого искажения.
Основная причина того, что входной сигнал может искажаться при использовании входной защиты типа TVS, заключается в том, что TVS-диод имеет обратную емкость с большим коэффициентом напряжения. Это означает, что при изменении напряжения входного сигнала емкость TVS-диода также будет изменяться. Входное защитное сопротивление RP и обратная емкость TVS-диода образуют фильтр нижних частот.
Затухание этого входного фильтра изменяется в зависимости от входного напряжения, поскольку емкость диода изменяется в зависимости от входного сигнала. Таким образом, затухание на пике сигнала отличается от затухания вблизи 0 вольт. Это искажает форму сигнала и ухудшает характеристики THD. Зная, что емкость TVS-диода сильно влияет на искажения, давайте сравним результаты измерений для нескольких TVS-диодов с разными характеристиками емкости.
В этой таблице сравниваются три разных диода с тремя разными уровнями емкости. Первое — это устройство, которое мы использовали в предыдущем примере. Это очень часто используемое устройство TVS с емкостью от 2,3 нанофарад до 10 нанофарад. При использовании этого устройства АЦП имеет отрицательный коэффициент нелинейных искажений 69.0,6 дБ, что значительно хуже отрицательного значения 110 дБ, типичного для ADS8588S. Два других устройства показывают, что производительность улучшается по мере уменьшения емкости.
На этом видео заканчивается. Спасибо за просмотр. Пожалуйста, пройдите тест, чтобы проверить свое понимание содержания этого видео.
Вопрос 1. Для приведенной ниже схемы, какова мощность, рассеиваемая в RP при длительном входном напряжении 53 В?
Правильный ответ C, 0,8 Вт. Вычитание 13-вольтового падения из 53-вольтового входного сигнала дает 40 вольт на резисторе 2 кОм. 40 вольт в квадрате разделить на 2 кОм дает 0,8 Вт.
Вопрос 2, верно/неверно. Токоограничивающий резистор можно использовать в качестве входной защиты в устройствах с внутренней встречно-параллельной ячейкой Zener ESD.
Правильный ответ А, верно. Для устройств с внутренним встречно-встречным стабилитроном простой последовательный резистор обеспечивает базовую защиту. В случаях, когда могут возникать непрерывные или многократно повторяющиеся неисправности, рекомендуется использовать дополнительный внешний стабилитрон.
Вопрос 3, верно/неверно. Токоограничивающий резистор можно использовать в качестве входной защиты и устройств с внутренней ячейкой ESD типа SCR?
Правильный ответ Б, неверно. Для защиты входа типа SCR вы никогда не захотите, чтобы эта защита срабатывала при подаче питания. Таким образом, для этого типа внутренней защиты входа ESD всегда следует использовать внешний диод TVS, чтобы избежать срабатывания внутреннего SCR.
Вопрос 4. Каково основное ограничение производительности, вызванное использованием последовательного резистора с TVS-диодом?
Правильный ответ: А. Нелинейная емкость диода и последовательное сопротивление создают искажения. Емкость TVS-диода имеет большой коэффициент напряжения. Когда эта емкость взаимодействует с входным сопротивлением, создается фильтр с частотой среза, которая изменяется в зависимости от входной амплитуды. Это эффективно искажает входной сигнал.
Вопрос 5, верно/неверно. Диод TVS с емкостью нагрузки можно использовать для уменьшения THD.
Правильный ответ А, верно. В презентации мы сравнили характеристики THD с TVS-диодом с низкой и высокой емкостью. Диод TVS с малой емкостью дает лучшие характеристики THD, но может не иметь высокой номинальной мощности.
Вопрос 6, входной диапазон плюс/минус 12 вольт должен быть защищен каким диодом TVS?
Правильный ответ C. Двунаправленный, с зазором равным 12 вольтам. Поскольку сигнал бывает как положительным, так и отрицательным, необходим двунаправленный диод. Напряжение зазора является используемым входным диапазоном, поэтому напряжение зазора должно быть установлено на 12 вольт или выше.

502 Плохой шлюз