Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik I/O Protection mit PTC-Fuse und TVS Dioden wirksam?


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von Milo (Gast)


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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?

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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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...

: Bearbeitet durch Moderator
von Olaf (Gast)


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> 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 :-)

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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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.

von Milo (Gast)


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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.

von Harald A. (embedded)


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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.

von Milo (Gast)


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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.

von Harald A. (embedded)


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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).

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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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.

: Bearbeitet durch Moderator
von Harald (Gast)


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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.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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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.

: Bearbeitet durch Moderator
von Harald (Gast)


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6V, die unterschätzte Gefahrenquelle auf dem Entwicklerschreibtisch. 
Professionelle Microchip-Entwickler hassen diesen Trick...

von Harald (Gast)


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> 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.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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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.

: Bearbeitet durch Moderator
von Harald (Gast)


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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.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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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?

von Harald (Gast)


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> 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.

von Milo (Gast)


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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.

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