Kürzlich ist mir der AVR-ICE über den Weg gelaufen und ich war erstaunt
über die Anzahl der verbauten Bauelemente, für die „triviale“ Aufgabe,
nach genauerer Betrachtung fällt dann natürlich auf, das viele Bauteile
nur der I/O Protection dienen.
https://microchipsupport.force.com/s/article/ATMEL-ICE-output-connector-circuit-schematics
Nun stehe ich aber ein wenig auf dem Schlauch. Theoretisch wirkt der
Schutz doch nur wenn die I/O Spannung 5V beträgt, speise ich an VTref
nun beispielsweise 1,8V ein wird VTG/VTG_BUF (gefilterte VTref mit
Impedanzwandler versorgt über USB) ebenfalls zu 1,8V und die
Pegelwandler werden anfällig für Überspannungen über VTref, weil die TVS
Dioden erst über 5V durchbrechen und die PTC-Fuse zu träge ist. Reicht
der Reihenwiderstand mit seinen 22Ω tatsächlich um den I/O Pin zu
schützen?
Ich finde die Schaltung sehr interessant und könnte mir vorstellen meine
I/Os in Zukunft ähnlich zu schützen. Kann mir jemand ein Tool empfehlen
um solche Schutzschaltungen zu simulieren?
Milo schrieb:> speise ich an VTref nun beispielsweise 1,8V ein
... dann wird daraus die VTG_BUF:
1
VTref is pin4 on the JTAG header.
2
After some filtering, the signal is called VTG.
3
VTG is used as a reference for a follower circuit (buffer) which is powered by VUSB
Und jetzt kommt es darauf an, wie dieser Puffer aussieht. Wenn das ein
R2R-OP ist, dann kann der Strom abgeben und Strom aufnehmen, die VTG_BUF
wird also auf 1,8V gehalten.
> Reicht der Reihenwiderstand mit seinen 22Ω tatsächlich um den I/O Pin zu> schützen?
Zusätzlich zu diesen 22R wirkt da noch viel mehr der PTC PRG18BB470MB1RB
mit seinem 47 Ohm bei 25°C. Und dann ergibt sich für 1,8V VTG_BUF und
0,5V Spannungsabfall über der Klemmdiode folgende Rechnung:
(5V-(1,8V+0,5V))/(22R+47R) = 39mA, und das ist noch gut unter dem
maximalen Clamping Current des 74LVC mit 50mA.
Milo schrieb:> Ich finde die Schaltung sehr interessant und könnte mir vorstellen meine> I/Os in Zukunft ähnlich zu schützen.
Mal ehrlich: für mich sieht das nach technischem Overkill aus. Ich würde
nicht an jeden 5V-IO so einen Mega-Klimbim basteln, sondern bestenfalls
an solche Pins, wo jeder alles möglich anstecken kann.
Und natürlich bekommt ein halbwegs geübter DAU auch so einen Eingangspin
kaputt. Er muss einfach nur 12V anlegen, dann "britzelt" es, der 22R
Widerstand brennt angesichts der anfallenden 1,6W ganz zügig ab und der
Eingang ist kaputt.
> Kann mir jemand ein Tool empfehlen um solche Schutzschaltungen zu> simulieren?
Ich würde da einfach LTSpice nehmen. Natürlich muss man trotzdem noch
mitdenken...
> Mal ehrlich: für mich sieht das nach technischem Overkill aus. Ich würde> nicht an jeden 5V-IO so einen Mega-Klimbim basteln, sondern bestenfalls
Es gibt verschiedene Sicherheitslevel. Hier mal in aufsteigender
Reihefolge:
1. Udo Krawutkes Bastelbude.
2. Firma mit 3Mitarbeiter auf dem scheiss-egal Level.
3. Grosse Firma mit EMV Test
4. EX/Atex/SIL
5. Produkte von grosser Firma die auf Udo Krawutkes Basteltisch
landen. (hier sicher gegeben weil der Adapter an neuen
Bastelboards angeschlossern wird.)
6. Kindersicher. (Der Horror!)
Olaf :-)
Olaf schrieb:> 5. Produkte von grosser Firma die auf Udo Krawutkes Basteltisch> landen. (hier sicher gegeben weil der Adapter an neuen> Bastelboards angeschlossern wird.)
Ja, aber auch dann ist das Ding trotz des immensen Aufwands bestenfalls
halb fertig, denn wie gesagt: die an Basteltischen ganz üblichen 12V
setzen die Schaltung auf simpelste Weise pfeilschnell dauerhaft ausser
Funktion.
Damit ist die Schaltung also bestenfalls "ESD-sicher" und "5V-tolerant".
Und das bekommt man mit weniger Aufwand hin.
Lothar M. schrieb:> Ja, aber auch dann ist das Ding trotz des immensen Aufwands bestenfalls> halb fertig, denn wie gesagt: die an Basteltischen ganz üblichen 12V> setzen die Schaltung auf simpelste Weise pfeilschnell dauerhaft ausser> Funktion.
Der 22Ω dürfte nach meinem Verständnis aber nur wenig von den 12V sehen,
die TVS Diode müsste doch eigentlich wie eine Crowbar die Spannung
begrenzen und die Polyfuse nach einer gewissen Zeit ansprechen.
Lothar, ich weiß Du magst keine Gegenkommentare, aber die Schaltung wird
nicht pfeilschnell durchbrennen, weder bei 12V noch bei 24V. Vermutlich
hast Du falsch herum geschaut, die Eingänge sind rechts, nicht links.
Insofern sieht der 22Ohm keinen nennenswerten Strom.
Habe ich schon ziemlich genau so aufgebaut, allerdings mit TVS anstelle
der Zener. Bei der Zener hier konnte ich keine Angaben maximum ratings
finden, bei 12V sollte die aber die ca. 1ms 250mA vertragen können.
Wenn der ICE nicht so teuer wäre, würde ich ja wirklich gerne mal
ausprobieren wie sicher der Schutz wirklich ist in verschiedenen
Szenarien, so ist das ganze nur Spekulation, ich vermute ebenfalls, das
die Schaltung Spannungen über 5V ab kann und mit der Erklärung des Clamp
Currents der Pegelwandler erschließt sich für mich auch wie der Schutz
unterhalb der Zener-Spannung funktioniert. Es wundert mich aber auch,
wieso nur Zener-Dioden und keine echten Suppresor-/TVS-Dioden hinter der
Polyfuse zum Einsatz kommen, ich vermute das ganze ist aber eher eine
Kostenfrage und der Schutz mit Zener wurde als ausreichend bewertet.
Ob der Aufwand übertrieben ist, darüber lässt sich streiten, es handelt
sich ja nur um 4 Bauteile pro Pin, für nen billigen Programmer wie die
ST-Link-Klone oder die AVR USBasp steht der Aufwand natürlich in keinem
Verhältnis, führe ich aber eine Initialprogrammierung eines
Bestückungsloses durch, macht es allerdings Sinn, wenn nicht gleich die
Programmierhardware bei einem fehlerhaften Board gehimmelt wird. In der
Praxis schaut es bei vielen kleineren Firmen dann doch so aus, das ein
Testprogramm in den Controller geladen wird oder Bestandteil der
Firmware ist und auf einen teuren ICT verzichtet werden muss, wenn ich
so sehe was teilweise für Boards von unserem Bestücker kommen, wundert
mich gar nichts mehr.
Milo schrieb:> würde ich ja wirklich gerne mal> ausprobieren wie sicher der Schutz wirklich ist
Bestelle Dir doch die 2..3 Bauteile das nächste Mal mit und baue das
fliegend auf, kein großer Aufwand.
Milo schrieb:> Kann mir jemand ein Tool empfehlen> um solche Schutzschaltungen zu simulieren?
Ein Tool brauchst Du eigentlich nicht. Der Kaltwiderstand im gewünschten
Temperaturbereich darf die normale Anwendung halt nicht stören, außerdem
darf mit dem Kaltwiderstand kein Strom fließen, der die Diode gefährden
könnte. Im Falle des Falles ist der PTC aber quasi ruckzuck so
aufgeheizt, dass kein nennenswerter Strom mehr fließt. Und das Bauteil
wird natürlich knalleheiß in dem Augenblick.
Weiterhin muss man noch die max. DC Spannung des PTCs beachten. Diese
Spannung + die Diodenspannung ist dann deine maximale Schutzspannung
(ggf. Polarität der Diode im Szenario beachten, sprich Verpolung).
Harald A. schrieb:> hast Du falsch herum geschaut, die Eingänge sind rechts, nicht links.
Ja, stimmt. Die ungewöhnliche Leserichtung hat mich aus der Bahn
geworfen...
> Insofern sieht der 22Ohm keinen nennenswerten Strom.
Allerdings ergibt sich jetzt wieder das Problem, dass wir zurück zu
dieser Frage kommen müssen:
Milo schrieb:>>>> Reicht der Reihenwiderstand mit seinen 22Ω tatsächlich um den I/O Pin>>>> zu schützen?
Und dann lautet die Antwort: Nicht unbedingt!
Denn wenn die VTG_BUF hinreichend potent in allen Quadranten gepuffert
ist (also von einem halbwegs leistungsfähigen OP), dann wird die
Klemmdiode des SN74LVCT1T45 über ihre Grenzen hinaus belastet, wenn die
VTG_BUF die angenommenen 1,8V hat und am Eingangspin nicht mal so
abwegige 5V anliegen. Denn dann fließen 50mA (oder gar bis zu 65mA) für
mehr als 20s (erst dann löst die PTC-Sicherung typisch aus) über diese
Klemmdiode.
Harald A. schrieb:> Im Falle des Falles ist der PTC aber quasi ruckzuck so> aufgeheizt, dass kein nennenswerter Strom mehr fließt.
Vermutlich liegt aber trotzdem das I²t-Auslöseintegral der PTC-Sicherung
höher als das I²t-Schmelzintegral der Klemmdiode. Und deshalb wird im
Zweifelsfall die Klemmdiode verlieren.
Man sieht: egal wie hoch man den Aufwand treibt, es gibt immer eine
Falle in die man tappen kann.
Lothar M. schrieb:> Vermutlich liegt aber trotzdem das I²t-Auslöseintegral der PTC-Sicherung> höher als das I²t-Schmelzintegral der Klemmdiode. Und deshalb wird im> Zweifelsfall die Klemmdiode verlieren.
Ist nicht der Fall hier, bau es doch einfach mal auf. Das ist ja keine
niederohmige Polyfuse-Sicherung sondern tatsächlich ein PTC mit
"definiertem" Widerstand, eben z.B. 47Ohm wenn kalt. Kann man sich
ausrechnen, was maximal fließen kann für einen winzigen Augenblick, bis
das Ding heiß ist. Bei 12V-Uz fließen ca. max. 150mA durch die Diode
sehr kurz.
Wie gesagt, ich habe keine max ratings im Dioden-Datenblatt entdeckt,
vermutlich hält die Schaltung sogar 24V ohne Probleme aus. Muss man sich
näher anschauen.
Der Schaltungsansatz ist meiner Meinung nach günstig und gut, wenn man
Eingänge gegen die Versorgung bulletproof machen will. Klar, jetzt kommt
wieder der Einwand wenn aber Dies und Das dann kann Jenes passieren.
Schon klar, für z.B. 230V AC ist es nicht bulletproof. Bekannt.
Harald schrieb:> eben z.B. 47Ohm wenn kalt.
47 Ohm +- 20% bei 25°C lt. Datenblatt, also schlimmstenfalls auch 38
Ohm.
Und jetzt rechne das mal durch mit 6V am Eingang, denn mit dieser
Spannung ist keine der TVS oder Z-Dioden wirksam. Dann ergibt sich mit
VTG_BUF = 1,8V ein Strom von (6V-1,8V-0,5V)/(22R+47R) = 53mA. Also knapp
über dem Maximalstrom des Pegelwandlers und trotzdem noch so niedrig,
dass der PTC 20s braucht, bis er anspricht (wenn er es überhaupt tut,
denn der Trip Current kann je nach Exemplar ja bis zu 61mA sein).
> vermutlich hält die Schaltung sogar 24V ohne Probleme aus.
Das wird tatsächlich noch besser gehen, weil dann die Z-Diode eingreift,
die Spannung am 22R auf 6V begrenzt und dank des hohen Stroms von
(24V-6V)/47R = 380mA der PTC zügig abschaltet.
Harald schrieb:> Kann man sich ausrechnen, was maximal fließen kann für einen winzigen> Augenblick, bis das Ding heiß ist.
Wie gesagt: die Energie in diesem "winzigen Augenblick" (der ja schon
mal ein paar Sekunden andauern kann) nennt sich "I²t":
https://de.wikipedia.org/wiki/Zeit-Strom-Kennlinie
Und auch die Klemmdiode hat so ein "Schmelzintegral": wenn man sie zu
lange über ihre Fähigkeiten belastet geht sie kaputt.
Und jetzt muss das "Schmelzintegral" der Klemmdiode samt Bonddraht
größer sein als das "Auslöseintegral" des PTC, das könnte ein knappes
Rennen werden.
Und dass dann noch durch den Strom, der über die Klemmdiode nach VTG_BUF
fließt, diese VTG_BUF evtl. angehoben wird und die Ausgänge der
anderen daran angeschlossenen Treiber auf einmal mehr als 1,8V liefern,
das könnte dann das nächste Problem werden.
Ich hätte hier einfach die VTG_BUF um 0,5V angehoben und jeden der
einzelnen Pegelwandler über eine Diode davon entkoppelt. Wenn dann
jemand 5,5V am Eingang anschließt, dann wird die Versorgung dieses einen
Pegelwandlers auf etwa 5V angehoben. Und das wars, denn es fließt dabei
kein nenneswerter Strom.
> Wie gesagt: die Energie in diesem "winzigen Augenblick" (der ja schon> mal ein paar Sekunden andauern kann) nennt sich "I²t":
Ähm, das ist eben keine normale Polyfuse (wo das mal ein paar Sekunden
dauern kann), sondern ein 0603 Bauteil mit quasi Null Wärmekapazität.
Deswegen sagte ich ja, bau es mal auf, das Ding ist ruckzuck auf den
Bäumen.
Harald schrieb:> Ähm, das ist eben keine normale Polyfuse
Ich habe mir natürlich das Datenblatt angesehen. Und auch das Datenblatt
zur gesamten Familie, wo das grundlegende Verhalten beschrieben wird und
weitere Daten zu finden sind:
https://www.mouser.com/catalog/additional/Murata_POSISTOR_for_Circuit_Protection_Catalog.pdf> (wo das mal ein paar Sekunden dauern kann)
Das 0603-Ding löst eben bei typisch 50mA (oder sogar maximal 61mA) auch
erst nach frühestens 20 Sekunden aus.
> sondern ein 0603 Bauteil mit quasi Null Wärmekapazität.
Die Klemmdiode** im mindestens ebenso winzigen Pegelwandler hat noch
weniger Wärmekapazität.
Fazit: dieses PTC-Bauteil ist schon ohne Toleranzen nicht so "ideal"
oder "schnell" wie du es dir vorstellst.
** Mit Klemmdiode meine ich nicht die TVS- oder die Z-Diode, sondern die
"Clamp Diode" im Pegelwandler, die eigentlich zu schützen ist und eben
lt. Datenblatt (siehe Screenshot) maximal 50mA aushält.
Lothar M. schrieb:> Die Klemmdiode** im mindestens ebenso winzigen Pegelwandler hat noch> weniger Wärmekapazität.
Ach ja, das allgegenwärtige 6V Schreckensszenario. Hat man ja speziell
bei diesem Board immer am Start und ist allgegenwärtig. Außerdem wird
das Ding in JEDEM FALL durchbrennen.
@Milo: Bei Microchip haben die keine Ahnung, lass alles sein.
Harald schrieb:> Ach ja, das allgegenwärtige 6V Schreckensszenario.
Ja, natürlich, man kanns natürlich auch einfach wegblödeln.
> Außerdem wird das Ding in JEDEM FALL durchbrennen.
Das sagst jetzt du. Ich sage nur, dass jede vermeintlich noch so sichere
Schaltung ihren DAU finden wird.
> Bei Microchip haben die keine Ahnung, lass alles sein.
Aber mal abseits dieser offensichtlich persönlichen Befindlichkeiten:
stimmt irgendwas an der Sache meiner Ausführungen nicht?
> Ach ja, das allgegenwärtige 6V Schreckensszenario.
Ja, natürlich, man kanns natürlich auch einfach wegblödeln.
Da unrealistisch in diesem Fall.
Lothar M. schrieb:> stimmt irgendwas an der Sache meiner Ausführungen nicht?
Das ist genau die Sache, was ich hier meinte:
Harald schrieb:> Klar, jetzt kommt> wieder der Einwand wenn aber Dies und Das dann kann Jenes passieren.
Du hattest dich ursprünglich verrannt (sogar diesmal zugegeben, alle
Achtung) und versuchst jetzt, mit einem Szenario zu kommen, das in
diesem Umfeld einfach nicht oder nur sehr sehr unwahrscheinlich
vorkommt. Kein Mensch außer Dir kommt auf die Idee, da 6V anzuschließen,
nur um die Klemmdioden zu stressen. Da kann man auch noch weitere Fälle
aufmachen (s.o.), mit der die Schaltung auch hinzurichten ist. Negative
Spannung solle funktionieren, müsste man sich anschauen. Vielleicht
hilft auch ein Klimaschrank, kann sein.
Harald schrieb:> @Milo: Bei Microchip haben die keine Ahnung, lass alles sein.
Ich dachte wir bleiben ernst und fachlich.
Das von Lothar beschriebene 6V Szenario entspricht mehr oder weniger
meinem Eingangspost, es ging um Überspannungen über VTref, bis zur
Zener-Spannung.
Ob es nun 5V oder 6V sind ist da eher zweitrangig, natürlich wäre 6V der
Extremfall, welcher die Pegelwandler maximal stresst, aber auch die 5V
aus meinem Beispiel wirken sich stark auf die internen Klemmdioden aus.
Ich denke Microchip wird die Schutzschaltung ausreichend simuliert und
getestet haben.
Vielleicht habe ich ein wenig für Verwirrung gesorgt weil ich die
Zener-Diode als TVS-Diode bezeichnet habe, da hätte ich mir das
Schaltbild aber noch mal ansehen sollen, irgendwie hatte ich im Kopf,
die Zener-Diode wäre auch eine TVS-Diode gewesen, da hätte ich mein
Erstgeborenes Kind drauf verwettet.
