Как организовать эффективную комплексную защита оборудования - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Виробництво і ресурси

1122
Как организовать эффективную комплексную защита оборудования

Подключенное к проводным сетям оборудование имеет вероятность повреждениям от импульсов напряжения на линиях, порожденным теми или иными причинами: разрядами статического электричества, наводками от внешних источников, например, при включении/выключении мощных индуктивных нагрузок. Поскольку такие системы становятся более сложными в части используемых протоколов интерфейсов, они также становятся и более уязвимыми.

Для того, чтобы найти оптимальное решение разработчику приходится балансировать между стоимостью системы защиты, выполнениями требований стандартов и надежности защиты таких систем в местах эксплуатации. Не забывая и тот факт, что устойчивость к внешним электромагнитным воздействиям это часть требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) [1] и обеспечения целостности сигнала (в англ. терминологии Signal Integrity). Все это является как коммерческой, так и технической проблемой, которая усугубляется дополнительными ограничениями, связанными с все возрастающей производительностью современных цифровых сетей.

На рис.1 показаны типовые интерфейсы современной аппаратуры, где защита от электростатического разряда и наведенных ЭМП имеет решающее значение.

То, что мы называем «скачком напряжения» это временное увеличение синфазного и порожденного им вследствие неидеальности согласования реальных линий дифференциального напряжения. Результат такого воздействия – это наличие наведенного ток. Эти события, как правило, происходят через прямой контакт, но могут быть следствием наводку по полю или через резистивную связь, что приводит к широкому спектру угроз.

Опасности воздействия высоких напряжений и больших токов очевидны, но важно учитывать и время их воздействия, что влияет на выбор элемента защиты. Если время воздействия мало, то нагрев элемента защиты не станет критическим, но для более длительных воздействий все может иметь опасные последствия в виде деградации или выхода элемента защиты из строя. Это окажет негативное влияние на сохранение работоспособности и безопасность не только на систему защиты (она, как правило, не ограничивается одним элементом, причина будет пояснена позже), но и, что естественно, непосредственно на функционирование устройства в целом.

Защита выполняет несколько ключевых функций.

Во-первых, она должна предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, затем мы должны быть уверенными, что система возвращается в исходное рабочее состояние с минимальным перерывом в обслуживании. Кроме того, крайне важно, чтобы в нормальных условиях защита не мешала сигналу и не создавала проблемы для передачи информации. И, не забываем о том, что защита во время перенапряжения должна срабатывать безопасным способом.

В практике автора статьи, в бытность его вторым Главным Конструктором одного из оборонных предприятий отвечающего за разработку и внедрение новой техники, был такой забавный случай. Одним из его инженеров было спроектировано устройство с такой развитой защитой, как говорится на все случаи жизни, буквально с защитой от срабатывания защиты, так что оно просто не включалось. Вывод – всего должно быть в меру.

Ключом к выбору защиты от перенапряжения является рассмотрение того, от чего нужно защищать оборудование. Интегральные микросхемы (ИМС) обычно рассчитаны на контактное напряжение 1-2 кВ, чтобы защитить их от возможных инцидентов при сборке печатной платы.

Стандарт IEC 61000-4.2 определяет модели человеческого тела с напряжением до 8 кВ для электростатического разряда, которые могут иметь место в переносном оборудовании. Защита ИМС со степенью жесткости1 является вторичной ступенью защиты, там, где требуется первичная защита от импульсов по степени жесткости8 кВ.

Кроме того, устройство защиты от электростатического разряда имеет определенное время реакции, связанное с ним, при испытаниях в условиях высокого dV/dt(8 кВ/нс), что в свою очередь может определить повышение требований, предъявляемых к защитному устройству. Поэтому важно убедиться, что схема защиты ИМС, входа (порта) или устройства в целом могут поддерживать те или иные пиковые напряжения и токи.

Исходя из сказанного, мы, как инженеры, первым делом обращаемся к стандартам. Основным, но не только, в данной сфере для нас будут являться стандарты и проведение соответствующего анализа проектируемой продукции или системы анализа рисков:

1.ДСТУ EN 60950-1:2015 «Обладнання інформаційних технологій. Безпека. Частина 1. Загальні вимоги».Настоящий стандарт идентичен международному стандарту IEC60950-1:2013 «Informationtechnologyequipment- Safety- Part1: Generalrequirements». 

2.ДСТУ EN 60950-21:2019 «Обладнання інформаційних технологій. Безпека. Частина 21. Дистанційне електроживлення». Настоящий стандарт идентичен международному стандарту IEC60950-21:2002 «Informationtechnologyequipment- Safety- Part21: Remotepowerfeeding». Важность этого стандарта возрастает в связи с расширением использования технологии PoE- питания через Ethernet, что особенно актуально в индустриальной сфере, применяется совместно с стандартом ГОСТ IEC 60950-1.

3.ДСТУ EN 61000-4-2:2018 «Електромагнітна сумісність. Частина 4-2. Методики випробування та вимірювання. Випробування на несприйнятливість до електростатичних розрядів». НастоящийстандартидентиченмеждународномустандартуIEC 61000-4-2:2008 «Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge immunity test».

4.ДСТУ EN 61000-4-4:2019 «Електромагнітна сумісність. Частина 4-4. Методики випробування та вимірювання. Випробування на несприйнятливість до електричних швидких перехідних процесів/пакетів імпульсів».НастоящийстандартидентиченмеждународномустандартуIEC 61000-4-4:2012 «Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4: Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst immunity test», IDT.

5.ДСТУ EN 61000-4-5:2019 «Електромагнітна сумісність. Частина 4-5. Методики випробування та вимірювання. Випробування на несприйнятливість до сплесків напруги та струму».НастоящийстандартидентиченмеждународномустандартуIEC 61000-4-5:2014 «Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5: Testing and measurement techniques - Surge immunity test», IDT.

6.ДСТУ EN 61643-21:2015 «Пристрої захисту від імпульсних перенапруг низьковольтні. Частина 21. Пристрої захисту від імпульсних перенапруг, підключені до телекомунікаційних мереж та мереж сигналізації. Вимогидоробочиххарактеристиктаметодивипробування». НастоящийстандартидентиченмеждународномустандартуIEC 61643-21:2012 «Low voltage surge protective devices - Part 21: Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Performance requirements and testing methods».

Если рассматривать устойчивость к электростатическим разрядам, то для испытаний оборудования на устойчивость к электростатическим разрядам стандартом, здесь и далее будут указаны международные стандарты в редакции МЭК, то IEC 61000-4-2:2008 установлена определенная степень жесткости испытаний, указанная в табл.1.

Параметры импульса разрядного тока при контактном разряде согласно IEC 61000-4-2:2008 представлены в табл.2.

При этом форма контактного разряда, например, для степени жесткости 2 (напряжение 4 кВ), имеет вид, представленный на рис.2.

Кроме того, в остальных стандартах устанавливаются дополнительные или специфические требования, например, воздействия, как модель человеческого тела или модель оборудования. И не забываем, что у ответственного разработчика будут учтены все факторы и риски. Как можно видеть требований много, и это еще раз подчеркивает то, что было уже сказано выше – решение для защиты на базе одного устройства возможно далеко не всегда. Если рассматривать основные доступные нам защитные элементы, то здесь мы можем выделить их четыре основных типа с типовыми характеристиками, которые представлены в табл.3.

 

Устройства защиты от перенапряжения

1. Семейства газовых разрядников (Gas Discharge Tubes, GDT), когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, создающая квазикороткое замыкание по линии, но потом она опять возвращаются к состоянию высокого импеданса. Эти надежные устройства имеют самый высокий рейтинг по импульсному току в сочетании с малой собственной емкостью, что делает их очень привлекательными для защиты, как линий «старых» технологий, так и современных высокоскоростных цифровых.

2. Семейство устройств на основе тиристоров, например TISP от компании BOURNS, сначала ограничивают напряжение в линии, а затем переключается в проводящее состояние при низком напряжении. После окончания  скачка напряжения, когда ток падает ниже тока удержания, устройство возвращается в исходное состояние высокого импеданса.

3. Семейство диодов для подавления переходных напряжений (Transient Voltage Suppressor, TVS) работают за счет быстрого перехода от высокого импеданса к нелинейной характеристике сопротивления, которая ограничивает скачки напряжения. TVS-диоды являются универсальными продуктами широкого назначения, так как они малогабаритные, обеспечивают быстрое и хорошо контролируемое напряжение ограничения, однако они (не все, но в большинстве) обладают относительно высокой емкостью и низким уровнем поглощения энергии, что ограничивает максимальный импульсный ток.

Тем не менее, они находят самое широкое применение и выигрывают по сравнению с обычными диодами и тем более стабилитронами, применение которых в большинстве случаев из-за высокой емкости и еще меньшей возможности к поглощению энергии, в ряде случаев невозможно. Что касается ограничения по емкости то, например, компания BOURNS, предлагает двунаправленные TVS-диоды с типовыми емкостями 1 пФ, например, серия CDSOD323-TxxLC Series, которые специально разработаны для защиты высокоскоростных цифровых линий передачи данных, а по току компания предлагает диоды способные принять токи, превышающие 100 А

 

Устройства защиты от недопустимых токов:

1. Хорошо известные разработчикам и не нуждающиеся в особой рекламе полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Они представляют собой полимерные термисторы с положительным коэффициентом (Polymer Positive Temperature Coefficient, PPTC) и имеют самое широкое применение. В условиях большого тока сопротивление такого предохранителя будет увеличиваться на много порядков, и оставаться в таком состоянии, обеспечивая непрерывную защиту цепи до устранения неисправности. После устранения неисправности и некоторого времени остывания предохранитель вернется в свое нормальное состояние с низким сопротивлением.

2. Там, где нужно срабатывание без восстановления хорошим выбором будет элемент семейства Telefuse (Telecom Fuses – предохранители для телекоммуникационных линий), они представляют собой обычные плавкие предохранители, но заключенного в керамический корпус. Предохранитель нагревается со скоростью I2t. Как только температура элемента превышает температуру плавления, он испаряется и размыкает цепь. Для разработчиков преимуществом здесь выступает низкое сопротивление таких предохранителей.

 

Защита от разрядов статического электричества и наведенных перенапряжений:

1. Семейство защитных устройств от разрядов статического электричества ESD, например ChipGuard, который состоит из многослойных варисторов (multilayer varistor, MLV). Эту серию отличают низкие токи утечки, которые делают устройства незаметными при нормальной работе. Переходные электростатические разряды приводят к тому, что устройство ограничивает напряжение, уменьшая свое эффективное сопротивление, и переходит в состояние высокого импеданса после подавления помех. Семейство продуктов ChipGuard разработано для защиты оборудования, такого как порты связи, в соответствии с требованиями стандарта IEC61000-4-2, Level4. Кроме того, варисторы этой технологии имеют емкости до 0.05 пФ, например CG0402MLU / CG0603ML, что позволяет использовать их для защиты самых высокоскоростных цифровых линий. Портативные беспроводные устройства, в частности сотовые телефоны, ноутбуки и планшетные компьютера, часто имеют порты данных и / или аудио, в которых для защиты от электростатического разряда используются именно многослойные варисторы ChipGuard.

2. Для защиты от электростатических разрядов компании предлагают также семейство диодных матриц. Используя технологию тонких пленок на кремниевых пластинах в сочетании с упаковкой в размерах кристалла (Chip Scale Packaging), такие устройства обычно используются в приложениях для портативной электроники, где заказчик указал конкретную характеристику электрического отклика.

3. Объемные силовые металлооксидные (Metal Oxide Varistor MOV) варисторы – это композитные компоненты, выполненные на основе оксида цинка (ZnO) с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов, образующих микрогранулы. В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах. В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать больших величин. Однако такое варисторы подвержены временной деградации.

4. Гибридный компонент защит от перенапряжения GMOV™ компании BOURNS. Он сочетает себе компактный газовый разрядник с металлооксидным объемным варистором [12]. Это улучшенное решение для защиты, которое помогает преодолеть проблемы деградации и катастрофических сбоев. Такие сбои могут возникнуть в дискретных MOV, в том случае, если они подвержены кратковременным скачкам напряжения или более длительному перенапряжению, превышающему их максимальные номинальные значения. Гибридные варисторы отличаются малой собственной емкостью и могут использоваться не только для защиты линий питания, но и на высокоскоростных линиях данных.

Практический пример использование TVS-диодов, как элемента защиты от разрядов статического электричества и ЭМП приведен в [2].

 

Использование варисторов

Варисторы серии ChipGuard используются для защиты портов HDMI, USB 2.0 и коаксиальных входов VHF/UHF.

На рис.3 показана типовая организация ESDзащиты интерфейса HDMI на элементахCG0402MLU-05G.

На рис.4 показана типовая организация ESDзащиты интерфейса USB 2.0 на элементах CG0603MLC-05LE.

На рис.5 показана типовая организация ESDзащиты VHF/UHF порта на элементе CG0402MLU-12G.

 

Заключение

Различные компании предлагают элементы для защиты аппаратуры от повреждений, вызванных скачками напряжения порожденных теми или иными причинами, например: разрядами статического электричества; наводками от внешних источников; переходными процессами, например, при включении/выключении мощных индуктивных нагрузок. Новейшие продукты компаний предоставляют новую интегрированную компонентную технологию высокой плотности в небольших размерах для высокоскоростных коммуникационных приложений. Важные преимущества для клиентов включают расширенные возможности снижения затрат и повышения производительности для широкого спектра рынков и приложений.

 

Литература:

1. Рентюк В. Что нужно знать об испытаниях на выполнение требований по ЭМС для изделий коммерческого назначения // Сборник «Электромагнитная совместимость в электронике-2018»

2. Рентюк В. Решение проблемы электромагнитной совместимости и защиты интерфейсов. // Электрик. – 2019. – №6.

Сподобалась стаття? Розповідайте друзям!
СХОЖІ СТАТТІ
comments powered by Disqus

ASANZA banner

ELEKTROSVIT banner

UKRPOSHTA banner

UKRPOSHTA banner

UKRPOSHTA banner

banner