Monet perinteiset ja historiallisesti toimiviksi todetut suojausmenetelmät – esimerkiksi diodit, sulakkeet
ja TVS-komponentit – säilyttävät edelleen asemansa perustason ratkaisuna, mutta ne ovat usein hyötysuhteeltaan kehnoja, suurikokoisia ja huoltoa vaativia. Aktiiviset, älykkäät suojauspiirit lupaavat enemmän.

Eri teollisuusalojen valmistajat pyrkivät jatkuvasti huipputason suorituskykyyn omissa tuotteissaan ja yrittävät tasapainoilla uusien innovaatioiden sekä aiemmin toimiviksi todettujen vakaiden ratkaisujen välillä. Suunnittelijoilla on haasteenaan tasapainottelu designin monimutkaisuuden, luotettavuuden ja kustannusten välillä.

Erityisesti yksi osa-alue, elektroniikan suojaus, hidastaa luonteensa vuoksi siirtymistä kohti uusia innovaatioita. Sen avulla on kyettävä suojelemaan kalliita elektronisia piirejä (FPGA, ASIC, mikroprosessorit), jotka eivät saa vikaantua.

Monet perinteiset ja historiallisesti toimiviksi todetut suojausmenetelmät – esimerkiksi diodit, sulakkeet ja TVS-komponentit – säilyvät yhä käyttökelpoisina, mutta ne ovat usein hyötysuhteeltaan kehnoja, suurikokoisia ja huoltoa vaativia.

Aktiiviset, älykkäät suojauspiirit ovat osoittaneet kykynsä vastata perinteisten menetelmien haasteisiin ja ovat lisäksi monin tavoin robustimpia eli vankempia. Saatavilla olevien suojausvälineiden laajan valikoiman vuoksi suunnittelijan hankalin pulma onkin ainoastaan valita kohteeseen sopivimmat ratkaisut.

Suunnittelijan valintojen helpottamiseksi tässä artikkelissa vertaillaan perinteisiä suojausmenetelmiä ADI:n kehittämien suojauspiirien valikoimaan. Piirien ominaisuuksien esittelyn lisäksi mukana on lukuisia esimerkkejä suojauspiireille ehdotetuista sovelluksista.

Useilla teollisuudenaloilla käytetään entistä enemmän elektroniikkaa ja arvokkaat FPGA-piirit ja prosessorit hoitavat entistä suuremman määrän toimintoja. Nämä tekijät ovat lisänneet tarvetta suojata laitteita ankarissa käyttöympäristöissä. Lisäksi kaivataan kompaktia rakennetta, korkeaa luotettavuutta sekä nopeaa reagointia ylijännite- ja ylivirtapiikkien tuottamiin ongelmiin.

Tässä artikkelissa käsitellään sovellusten usein kohtaamia haasteita ja sitä, miksi suojausta yleensä tarvitaan. Perinteisiä suojausmenetelmiä verrataan uusiin vaihtoehtoisiin ratkaisuihin, jotka tarjoavat entistä parempaa tarkkuutta, luotettavuutta ja suunnittelun joustavuutta.

MIKSI SUOJAUSPIIREJÄ TARVITAAN?

Ajoneuvojen, teollisuussovellusten, tietoliikenteen ja ilmailualan elektronisten järjestelmien on toimiessaan kohdattava monenlaisia surge-häiriöitä, kuten kuvassa 1 on esitetty. Kullekin alalle on määritetty erilaisia transienttihäiriöitä lukuisissa teollisissa spesifikaatioissa. Esimerkiksi ajoneuvoissa esiintyvät transientit kuuluvat ISO 7637-2 ja ISO 16750-2 -määritysten piiriin. Niissä hahmotellaan sekä odotettavissa olevien häiriöiden yksityiskohdat että testausmenettelyt, jotta voidaan varmistaa ilmiöiden johdonmukainen validointi.

Ylijännitetapahtumien eri tyypit ja niiden energiasisällöt voivat vaihdella riippuen ympäristöstä, jossa elektroniikkaa käytetään. Virtapiirit voivat altistua ylijännitteelle, ylivirralle, käänteiselle jännitteelle ja käänteiselle virralle. Itse asiassa monet elektroniset piirit tuhoutuisivat, jos ne joutuisivat suoraan alttiiksi kuvassa 1 esitetyille häiriöille. Siksi suunnittelijan on otettava huomioon kaikki tulopuolella mahdollisesti ilmenevät tapahtumat ja toteutettava suojausmekanismit, jotka varjelevat piirejä näiltä jännite- ja virtapiikeiltä.

SUUNNITTELUN HAASTEET

Elektronisissa järjestelmissä on monia eri syitä lyhytkestoisille jännite- ja virtapiikeille, mutta jotkut elektroniikan käyttöympäristöt ovat alttiimpia transienteille kuin toiset. Ajoneuvojen, teollisuuden ja tietoliikennesovelluksissa esiintyy tunnetusti paljon potentiaalisesti haitallisia tapahtumia, jotka voivat vaurioittaa järjestelmään liitettyjä sähkölaitteita, mutta ylijännitetapahtumat eivät rajoitu vain näihin ympäristöihin.

Muita mahdollisia ylijännitesuojainten käyttökohteita ovat kaikki sovellukset, jotka edellyttävät suurijännitteistä tai -virtaista tehonsyöttöä tai sovellukset, jotka kytketään käyttölaitteisiin ’lennossa’. Samoin mahdollisia ovat erilaisia moottoreita sisältävät järjestelmät sekä sovellukset, jotka saattavat joutua alttiiksi salamoinnin aiheuttamille syöksyaalloille. Suurijännitteisiä tapahtumia voi esiintyä eripituisilla aikaväleillä, mikrosekunneista satoihin millisekunteihin, joten joustava ja luotettava suojamekanismi on välttämätön kalliiden elektronisten laitteiden pitkäikäisyyden varmistamiseksi.

Esimerkiksi ajoneuvon sähköjärjestelmässä saattaa kuormituksen nopean muutoksen vuoksi esiintyä "load dump" -jännitepiikki, kun laturi kytkeytyy hetkellisesti irti akusta.
Irtikytkennän seurauksena täysi latausvirta kohdistuu hetken ajan suoraan tehonsyöttölinjaan, mikä voi nostaa jännitteen erittäin korkealle (yli 100 voltin) tasolle satojen millisekuntien ajaksi.

Tietoliikennesovelluksissa voi olla useita mahdollisia syitä ylijännitteisiin, aina datansiirtokorttien ’lennossa’ vaihtamisesta ulkoisiin asennuksiin, jotka voivat altistua salamaniskuille. Induktiiviset jännitepiikit ovat mahdollisia myös pitkissä kaapeleissa, joita käytetään suurissa tiloissa.

Viime kädessä laitteen käyttöympäristön tulee olla oikein huomioitu suunnittelussa ja laitteen täyttää julkaistut spesifikaatiot. Tämä auttaa suunnit-telijaa rakentamaan järjestelmälle optimaalisen suojauksen, joka on sekä robusti että huomaamaton, ja mahdollistaa suojauksen takana olevien laitteiden sähköisen toiminnan turvallisten jännitetasojen puitteissa ja mahdollisimman vähäisin keskeytyksin.

PERINTEISET SUOJAUSTAVAT

Kun otetaan huomioon lukuisat erityyppiset sähköilmiöt, herää kysymys, mitä kaikkea suunnittelijan arsenaalissa tulee olla, jotta järjestelmään liitettyjä herkkiä elektroniikkalaitteita voidaan suojata tehokkaasti?

Kuva 2. Perinteiset suojausvälineet.

Perinteiset suojaustavat perustuvat useampaan kuin yhteen suojakomponenttiin. Ylijännitesuojauksessa käytössä voi olla esimerkiksi lyhyitä jännitepiikkejä vaimentava TVS-komponentti (Transient Voltage Suppressor), ylivirtasuojaksi sijoitettu linjasulake, sarjadiodi napaisuudeltaan väärin kytketyn akun/teholähteen varalta sekä sekalainen valikoima kondensaattoreita ja keloja vähemmän energiaa sisältävien piikkien suodattamiseksi.

Vaikka nämä erilliskomponentteihin perustuvat kytkennät voivat täyttää laitteiden suojaamiseksi asetetut spesifikaatiot, ne johtavat kuitenkin monimutkaisiin toteutuksiin, jotka edellyttävät suunnitteluvaiheessa lukuisia iteraatiokierroksia oikeantasoisen suodatuksen aikaansaamiseksi.

Seuraavassa käydään lähemmin läpi näitä ratkaisuja ja tarkastellaan toteutusten etuja ja haittoja.

JÄNNITEPIIKKEJÄ
VAIMENTAVA TVS

TVS on suhteellisen yksinkertainen komponentti, joka auttaa suojaamaan järjestelmän elektroniikkapiirejä teholähteen syöttämiltä suurilta jännitepiikeiltä. TVS-komponentit voidaan luokitella useisiin eri tyyppeihin, joilla on laaja valikoima erilaisia ominaisuuksia (taulukkoon 1 on koottu eri tyyppejä vasteajan mukaan, pienimmästä suurimpaan).

Vaikka TVS-komponenteilla on erilaisia rakenteita ja ominaisuuksia runsaasti, kaikki ne toimivat samalla periaatteella: ylivirta johdetaan pois, kun jännite ylittää kohteen kynnysarvon. TVS lukitsee lähtöjännitteen nimellistasolle hyvin lyhyessä ajassa. Esimerkkinä TVS-diodi voi reagoida jopa pikosekunnissa siinä, missä kaasupurkausputki (GDT) taas vaatii toimiakseen muutaman mikrosekunnin, mutta se pystyy toisaalta käsittelemään paljon suurempia ylijännitteitä.

Normaaleissa käyttöoloissa TVS:llä on suuri impedanssi, ja tulojännite yksinkertaisesti näkyy lähdössä sellaisenaan. Kun tulopuolella esiintyy ylijännitetilanne, TVS reagoi johtamalla ylimääräisen energian maatasoon (GND) ja vaimentaa näin perään sijoitetun kuorman jännitteen nimellistasolle.

Syöttölinjan jännite nousee tavanomaisen tason yläpuolelle, mutta se rajoitetaan arvoon, joka on turvallinen kaikille mahdollisille lähtöön liitetyille elektroniikkapiireille.

Vaikka TVS-komponentit vaimentavat tehokkaasti hyvinkin suuria jännitepoikkeamia, ne eivät ole immuuneja vaurioille kohdatessaan jatkuvasti ylijännitehäiriöitä, joten ne vaativat säännöllistä valvontaa ja vaihto-operaatioita. Toinen huolenaihe on se, että TVS voi vikaantua menemällä oikosulkuun ja näin oikosulkea koko syöttölinjan.

Lisäksi energiatasosta riippuen komponentit voivat olla fyysisesti liian suurikokoisia käytettävissä olevaan tilaan nähden ja siten kasvattaa kohderatkaisun fyysistä kokoa. Vaikka TVS olisi oikein mitoitettu, lähtöön liitettyjen elektroniikkapiirien on kyettävä käsittelemään vaimennettuja jännitepiikkejä, mikä taas johtaa korkeampiin jänniteluokituksen vaatimuksiin mukaan liitetyissä laitteissa.

LINJASULAKE

Ylivirtasuojaus voidaan toteuttaa käyttäen tavanomaista sulaketta, jonka virta-arvon tulee olla jonkin verran määritettyä maksimivirtaa korkeampi – esimerkiksi 20 prosenttia suurempi kuin järjestelmän suurin sallittu virta (prosenttiluku riippuu kytkennän tyypistä sekä odotettavissa olevista kuormituksista). Sulakkeiden suurin ongelma on tietysti se, että ne on vaihdettava palamisen jälkeen.

Sulakeratkaisun yksinkertaisen suunnittelun tuomat aika- ja kustannussäästöt voivat kuitenkin tulla maksettaviksi myöhemmin suhteellisen monimutkaisen huollon vuoksi varsinkin silloin, kun sovellus sijaitsee fyysisesti hankalassa paikassa. Ylläpidon hankaluuksia voidaan keventää vaihtoehtoisilla sulaketyypeillä kuten palautuvilla sulakkeilla.

Positiivisen lämpötilakertoimen ansiosta ne katkaisevat virtapiirin, kun tavallista suurempi virta kulkee sulakkeen läpi (kasvava virta nostaa lämpötilaa, mikä taas johtaa resistanssin jyrkkään nousuun).

Ylläpidon hankaluuksien ohella yksi sulakkeiden suurimmista ongelmista on niiden reaktioaika, joka voi vaihdella suuresti valitun sulaketyypin mukaan. Nopeita sulakkeita on tarjolla, mutta virran katkaisuun tarvittava aika voi silti vaihdella sadoista mikrosekunneista millisekunteihin, joten piirisuunnittelijan on otettava huomioon rektioajan kuluessa vapautuva energia ja varmistaa, että lähtöön liitetyt elektroniikkapiirit säilyvät ehjinä.

SARJADIODI

Joissakin ympäristöissä piirit altistuvat virtalähteen toistuvalle irrottamiselle ja uudelleenkytkennälle – esimerkiksi paristo/akkukäyttöisissä sovelluskohteissa. Tällaisissa tapauksissa jännitteen oikeaa polariteettia ei voida taata uudelleenkytkennän yhteydessä. Oikean napaisuuden varmistaminen voidaan toteuttaa lisäämällä sarjadiodi virtapiirin positiiviseen syöttöjohtoon.

Vaikka tämä yksinkertainen lisäys on tehokas suojaamaan väärältä polariteetilta, sarjadiodin jännitehäviö johtaa vastaavaan tehohäviöön. Suhteellisen pienillä virroilla häviön merkitys on vähäinen, mutta monet nykyajan suurivirtaiset syöttöjärjestelmät tarvitsevat toisenlaisen ratkaisun.

SUOTIMIA KELOISTA JA KONDENSAATTOREISTA

Tähän mennessä käsitellyt passiiviset suojausratkaisut rajoittavat läpikulkevien häiriöilmiöiden amplitudia, mutta yleensä ne saavat kiinni vain suuren luokan häiriöt ja päästävät pienemmät eteenpäin. Nämä pienemmät transienttipiikit voivat silti vahingoittaa suojauksen takana olevaa elektroniikkaa, joten syötön siistimiseen tarvitaan ylimääräisiä passiivisia suotimia. Ne voidaan toteuttaa käyttäen erillisiä keloja ja kondensaattoreita, jotka on mitoitettava vaimentamaan epätoivotuilla taajuuksilla esiintyviä jännitteitä.

Suotimien suunnittelu vaatii aina ensin testaamista ja mittaamista oikeiden komponenttiarvojen ja taajuuksien määrittämiseksi. Tämän menettelyn haittoja ovat materiaalikustannukset (BOM) ja lisääntynyt tilantarve. Ongelmana on myös ylisuunnittelun tarve: komponenttien toleranssit on mitoitettava korvaamaan myös kaikki käyttöajan ja lämpötilavaihtelujen tuomat muutokset.

AKTIIVINEN SURGE STOPPER -PIIRI

Yksi keino välttää edellä kuvattujen suojausratkaisujen haasteet ja haitat on käyttää niiden sijaan ns. Surge Stopper -piiriä. Se poistaa tarpeen käyttää suurikokoisia shunttiosia (TVS, sulakkeet, kelat, kondensaattorit) tarpeen hyödyntämällä helppokäyttöistä ohjainta ja N-kanavaista MOSFETia. Tällainen suojauspiiri yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua huomattavasti, koska mitoitettavaksi ja kvalifioitavaksi jää vain muutama komponentti.

Surge Stopper -piiri valvoo jatkuvasti tulojännitettä ja -virtaa. Normaaleissa käyttöoloissa ohjainpiiri ajaa N-MOSFETin täysin johtavaksi ja tarjoaa näin pieniresistanssisen polun tulosta lähtöön. Ylijännitteen tai häiriöpiikin ilmetessä – lähdön takaisinkytkentäverkon saneleman kynnystason mukaisesti – piiri ajaa N-MOSFETin hilan alas laskien lähtöjännitteen tasolle, joka on määrätty vastusjaolla.

Kuvassa 5 on esitetty yksinkertaistettu piirikaavio Surge Stopper -ratkaisun toteutuksesta sekä mittaustulokset tulopuolelle syötetyn 100 voltin jännitepiikin vaimentamisesta tavanomaisella 12 voltin jännitelinjalla. Suojaus-piirin lähtö leikataan 27 voltin tasolle ylijännitetapahtuman ajaksi. Jotkut suojainpiirit myös valvovat ylivirtatapahtumia sarjaan kytketyllä virranmittausvastuksella (merkitty "Circuit Breaker" kuvassa 5) ja säätävät N-MOSFETin hilan jännitettä rajoittaen kuormaan saatavissa olevaa virtaa.

Kuva 5. Surge Stopper -suojauksen toteutus ja mittaustulokset.

Surge Stopper -piirejä on neljää eri tyyppiä, jotka luokitellaan riippuen niiden tavasta reagoida ylijännitetapahtumiin:

• Lineaarinen ylijännitesuojain

• Hilajännitteen tasolukitseva suojain
• Hakkuritoiminen ylijännitesuojain
• Lähdön katkaiseva suojausohjain

Surge Stopper -piirityypin valinta riippuu sovelluksesta, joten on syytä verrata niiden toimintaa ja etuja.

LINEAARINEN YLIJÄNNITESUOJAIN

Lineaarinen ylijännitesuojain ohjaa sarjamuotoon kytkettyä MOSFET-tehotransistoria aivan kuten lineaarinen säädin eli rajoittamalla lähtöjännitteen ennalta ohjelmoituun turvalliseen tasoon ja kuluttamalla MOSFETissa ylimääräisen energian lämpönä. MOSFETin suojaamiseksi piiri rajoittaa suurihäviöisellä toiminta-alueella vietettyä aikaa kapasitiivisen vika-ajastimen avulla.

HILAJÄNNITTEEN TASOLUKITSEVA SUOJAIN

Hilajännitteen tasolukitukseen perustuva suojain toimii käyttämällä joko sisäistä tai ulkoista lukitusta (31,5 V tai 50 V sisäinen tai säädettävä ulkoinen lukitus) rajoittamaan hilanastan jännite tähän lukitustasoon. MOSFETin kynnysjännite määrittää siten lähdön jänniterajan. Esimerkiksi sisäisellä 31,5 voltin lukituksella ja 5 voltin MOSFET-kynnysjännitteellä lähtöjännite rajoitetaan 26,5 volttiin. Vaihtoehtoisesti ulkoinen säädettävä tasolukitus sallii vielä paljon laajemman jännitealueen valinnan.

HAKKURITOIMINEN YLIJÄNNITESUOJAIN

Suuritehoisissa sovelluksissa hakkuritoiminen suojainpiiri on hyvä valinta. Aivan kuten lineaariset ja hilalukitukseen perustuvat suojaimet, tämäkin piiri avaa normaalitoiminnassa FETin täysin johtavaksi tarjoten pieniresistanssisen polun tulosta lähtöön (minimoiden tehohäviön).

Tärkein ero hakkuritoimisen ja lineaarisen tai hilan tasolukitukseen perustuvan suojaimen välillä tulee esiin, kun jokin ylijännitetapahtuma ilmenee. Ylijännitepiikin ilmaantuessa suojainpiirin lähtöjännite säädetään vaimennetulle tasolle kytkemällä ulkoista MOSFETia samaan tapaan kuin tavallisesti kytketään DC-DC-muunninta.

LÄHDÖN KATKAISEVA SUOJAUSOHJAIN

Tämä suojausohjain ei ole varsinainen ylijännitesuojain, mutta se pysäyttää silti ylijännitepiikit. Ylijännitesuojaimen tapaan se valvoo ylijännite- ja ylivirtatilanteita, mutta vaimennuksen tai reguloinnin sijaan se kytkee lähdön kokonaan irti liitettyjen elektroniikkapiirien suojelemiseksi.

Tämä yksinkertainen suojauspiiri voidaan sijoittaa hyvin pieneen tilaan, joten se soveltuu mainiosti akku/paristokäyttöisiin kannettaviin sovelluksiin. Suojausohjaimesta on saatavissa useita eri variantteja.

Suojausohjain toimii valvomalla tulojännitettä ja varmistaa, että se pysyy jänniteikkunassa, joka on vastusjaolla konfiguroitu nastoille OV/UV. Piiri katkaisee lähdön back-to-back -kytkettyjen MOSFETien avulla silloin, kun tulojännite on määritellyn jänniteikkunan ulkopuolella.

Back-to-back -MOSFETit pystyvät suojaamaan järjestelmää myös käänteiseltä tulojännitteeltä. Lähtöön sijoitettu virranmittausvastus tarkkailee jatkuvasti myötäsuuntaista virtaa suojaten ylivirralta, kuitenkin ilman ajastinpohjaista läpikulkutoimintoa (ride-through).

OIKEAN PIIRIN VALINTA

Surge Stopper -piirien käyttö yksinkertaistaa monin tavoin suojauskytkennän suunnittelua niiden luonnostaan robustin rakenteen vuoksi. Piirien datalehdet voivat auttaa suuresti komponenttien mitoituksessa, sillä lukuisat mahdolliset sovellusratkaisut on niissä jo esitetty. Vaikein vaihe on valita kuhunkin kohteeseen sopivin piiri. Vaihtoehtojen valikoimaa voi kaventaa seuraavasti:

• Siirry ADI:n suojainperheen parametritaulukkoon.
• Valitse tulojännitealue.
• Valitse kanavien määrä.

• Suodata ominaisuuksia vaihtoehtojen vähentämiseksi.

Kuten kaikkien tuotteiden valinnoissa, on tärkeää ymmärtää järjestelmälle asetetut vaatimukset ennen oikean piirityypin etsimistä. Tärkeitä näkökohtia ovat odotettavissa oleva syöttöjännite ja lähtöön liitettyjen elektroniikkapiirien jännitetoleranssit (tärkeä tekijä tasolukitetun jännitteen suuruuden päättämiseksi) sekä suunnittelun kannalta tärkeät erityispiirteet.

JOHTOPÄÄTÖS

Toteutetun ylijännitesuojauksen tyypistä riippumatta aktiiviset IC-pohjaiset suojaimet poistavat tarpeen käyttää suuria TVS-diodeja tai kookkaita keloja ja kondensaattoreita suotimia varten. Tämä johtaa pinta-alaltaan pienempään ja profiililtaan matalampaan ratkaisuun. Lähtöjännitteen tasolukituksella päästään parempaan (1-2 %) tarkkuuteen kuin TVS-komponenteilla. Tämä poistaa ylisuunnittelun tarpeen ja tarjoaa mahdollisuuden liittää järjestelmään niukemman toleranssin omaavia laitteita.

ADI:n suojainpiirien avulla suunnittelijat voivat toteuttaa luotettavan, joustavan ja kompaktin suojausratkaisun järjestelmään liitettäville elektroniikkalaitteille, etenkin niille laitteille, jotka kohtaavat ankaria ylijännite- ja ylivirta-tilanteita teollisuuden, autonvalmistuksen, ilmailun ja tietoliikenteen sovelluskohteissa.

Analog Devicesin Diarmúid Carey kirjoittama artikkeli löytyy uudesta ETNdigi-lehdestä. Sitä pääset lukemaan täällä.