Защита на входове за цифрова електроника
Всяко електронно устройство има контроли като бутони, превключватели, сензори и др., Които са под контрола на крайните потребители. При определени условия входните сигнали от тях могат да представляват заплаха за устройството. Това важи особено за електрониката, използвана в индустрията, която работи в сервизи. По правило данните от контролите се четат от централния процесор (микроконтролер, FPGA или друго устройство). В такива случаи е наложително защитата на входа на процесора от заплахи, като същевременно се поддържа полезен сигнал.
Същността на проблема
Фабрично контролният панел с бутони може да е разположен далеч от централния процесор. Дългите проводници могат да действат като индуктивност, което може да предизвика скокове на напрежението при натискане на бутон. Тези пренапрежения могат да повредят централния процесор, причинявайки отказ на цялата система. На фиг. 1 показва опростена диаграма на тази ситуация.
Фигура: 1 Опростена схема
Обикновено микроконтролерите имат входен импеданс от около 20 мегаома и работят с напрежения в диапазона от 1,2 до 5,0 V. На фиг. 2 показва допълнената фиг. един.
Фигура: 2 Входен импеданс
Тази фигура показва проблема с незащитеното влизане. Всяко високо напрежение, което се появява в резултат на индукция, натискане на бутон, грешка на потребителя или по някаква друга причина и влизане на входа на микроконтролера може да го деактивира и цялата система. В тази връзка е необходимо да се защитят входовете на микроконтролера. Вижте фиг. 3. Превключвателят е свързан към микроконтролера чрез 7 метров свързващ проводник. Обърнете внимание на свързването на един от контактите на превключвателя към GND и издърпващия резистор на входа на микроконтролера. Когато ключът е отворен, входът на микроконтролера е висок поради издърпващия резистор.
Фигура: 3 Схема на свързване на превключвателя
Когато промените позицията на превключвателя, напрежението се движи по дълги проводници, което причинява индукция. В резултат на това към микроконтролера се прилага повишено напрежение. Това е показано на фиг. 4. Обърнете внимание на минималното напрежение, причинено от индукция -5,88V. Повече от достатъчно, за да създаде проблеми в електронната система.
Фигура: 4 Осцилограма на спада на напрежението
Сега, след като разбрахме какъв е проблемът, можем да започнем да го решаваме.
Защита на входа
Важен аспект на входовете на микроконтролера и по-голямата част от логиката са диодите, използвани за защита на входа, които бяха изключени от опростения модел на фиг. 3. Обикновено спадът на напрежението в тях е около 0.7V.
При идеални условия това може да защити микроконтролера. Но ако напрежението е достатъчно високо и се прилага към входа достатъчно дълго, то може да унищожи вътрешните диоди, евентуално чрез късо съединение. Това ще доведе до директна връзка между входа и захранващата шина, а със следващото пренапрежение на напрежението може да доведе до повреда на всички елементи, свързани към тази електропроводна линия, което може да доведе до непредсказуеми последици.
Фигура: 5 Пълна схема
Дори ако диодите не са били пробити, потокът от повече ток и напрежение може да повреди микроконтролера, което също ще доведе до непредсказуеми последици. Първата стъпка за защита на входа е ограничаване на тока.