Soluzioni circuitali per la protezione dei sistemi elettronici

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Tutti i circuiti elettronici sono esposti a condizioni di rischio dovute al manifestarsi, certamente raro ma mai trascurabile, di una varietà di eventi capaci di generare valori di picco di corrente o di tensione abbondantemente superiori a quelli tollerati dai componenti ma fortunatamente abbastanza brevi da non riuscire a provocare danni, fintantoché tutto sia stato progettato per bene.

Fig. 1 – Il misuratore di corrente bidirezionale AD8210 e il limitatore di corrente ADM1270 che Analog Devices ha introdotto per la protezione dei circuiti di potenza aerospaziali e automotive

Per valutare la qualità operativa di un sistema è, infatti, essenziale inquadrarlo nelle condizioni ambientali in cui si trova a funzionare ed è perciò che i criteri di protezione possono variare notevolmente se si parla di prodotti consumer oppure di schede per l’avionica. Generalmente tutti i circuiti sono progettati con protezioni che coprono la stragrande maggioranza degli eventi anomali, ma dato che non vivono in un mondo ideale ecco che avvengono gli imprevisti.

Le principali cause di improvvisi aumenti di corrente e/o di tensione sono per lo più da cercare nell’ambiente in cui vivono i sistemi elettronici e compaiono quasi sempre nella forma di scariche elettrostatiche (ESD, ElectroStatic Discharge) o interferenze elettromagnetiche (EMI, ElectroMagnetic Interference). Le prime si generano dal contatto fra materiali (solidi o gassosi) che hanno energie di legame fra gli elettroni e i nuclei dei propri atomi molto diverse e perciò riescono a far passare istantaneamente un po’ di elettroni dall’uno all’altro, con un effetto triboelettrico che può manifestarsi anche con i connotati di un mini fulmine.

Le seconde sono dovute all’accoppiamento e sovrapposizione fra due o più onde elettromagnetiche (irradiate o circuitali), che vanno a sommare algebricamente intensità e fase ottenendo localmente una forma d’onda risultante che può essere molto diversa da quelle originali. Entrambi i fenomeni possono immettere nelle piste delle schede stampate una quantità di energia sufficiente per generare transitori di tensione e/o di corrente di forma casuale e perciò imprevedibili nelle conseguenze circuitali.

Fig. 2 – Hanno banda operativa che va da 16 kHz a 40 GHz i condensatori AVX GX0S destinati al filtraggio delle componenti continue dei segnali tipici delle telecomunicazioni

A ciò va aggiunta la meno improbabile fra le anomalie che possono riscontrarsi nei circuiti per le applicazioni di potenza e cioè l’aumento della temperatura dovuto al surriscaldamento dei dispositivi più energetici come inverter, motori, front-end e convertitori.

La soluzione agli inconvenienti termici è ben nota perché costituita dai fusibili ad autoripristino PTC (Positive Temperature Coefficient) composti da una resistenza proporzionale alla temperatura, ossia capace di aumentare con i gradi termici fino a interrompere la continuità circuitale oltre una certa soglia. Dato che il processo è reversibile la resistenza torna ad abbassarsi non appena lo fa anche la temperatura, ripristinando la conduzione. Inoltre, poiché i picchi di corrente generano inevitabilmente anche forti aumenti di temperatura i PTC sono ottimi anche per la protezione dalle sovracorrenti.

D’altro canto, non tutti si ricordano che quando si inserisce una scheda o un mezzanino in un backplane mentre è alimentato tutti i condensatori di bypass possono decidere di scaricarsi contemporaneamente, causando un transitorio di corrente che può essere nocivo se non adeguatamente previsto e circoscritto. Lo stesso accade quando si connette qualcosa alle interfacce seriali RS-232 o RS-485 oppure quando si attacca o si stacca un connettore e si generano dei transitori rapidi ma capaci di propagarsi detti anche Electrical Fast Transient (EFT), oppure Cable Discharge Event (CDE).

Fig. 3 – L’amplificatore Linear Technology ha 20,8 dB di guadagno nella banda da 20 MHz a 2 GHz dove offre una cifra di rumore di 2,6 dB e un filtraggio delle armoniche d’intermodulazione OIP3 di 46,2 dBm

Oggi i circuiti integrati si trovano a funzionare a frequenze di lavoro sempre più alte e alla radiofrequenza e alle microonde i problemi elettromagnetici e quelli termici diventano ancora più critici, ragion per cui i costruttori hanno dovuto ingegnarsi per sviluppare soluzioni di protezione circuitale sempre più sofisticate e capaci di intercettare e risolvere le condizioni preliminari che si manifestano appena prima degli eventi imprevedibili. Di conseguenza si può trovare un’eterogenea varietà di chip indubbiamente risolutivi nel preservare le funzionalità dei sistemi sottoposti a condizioni di rischio particolarmente difficili da prevedere.

Correnti protette

Analog Devices ha introdotto il misuratore di corrente bidirezionale AD8210S, adatto per i circuiti di potenza con elevati livelli di tensione dotandolo di sufficiente robustezza per essere impiegato nelle applicazioni aerospaziali, automotive e industriali. È, in pratica, un amplificatore differenziale capace di amplificare piccole quantità di tensione anche in presenza di forti tensioni di modo-comune nell’intero range che va da -2 fino a +65V, pur essendo alimentato a +5V. La tolleranza termica è estesa da -55 fino a +125 °C e in questo range di temperatura la deriva termica è confinata a 1 µV/°C con una variabilità di guadagno tipica di 10 ppm/°C, mentre il rapporto di reiezione di modo comune CMRR ossia l’efficienza nel rigettare i segnali comuni su entrambi gli ingressi è di 120 dB in continua e 80 dB alla frequenza di 100 kHz.

Di recente Analog Devices ha presentato anche il limitatore di corrente ADM1270 che consente di bloccare le correnti di accensione (inrush current) e tutte le sovracorrenti che possono danneggiare le schede. Il chip è disponibile in package Lfcsp o Qsop a 16 pin da 3×3 cm e consente di bloccare le correnti nell’ampio range di tensione che va da +4 a +60 V e nell’intervallo termico da -40 a +125 °C.

Fig. 4 – Garantiscono un’interrupting rating di 500A@72Vdc i fusibili 463 Series NANO2 Subminiature che Littlefuse presenta in robusto package da 10,1×3,12×3,12 mm

AVX ha ampliato la propria offerta di condensatori a banda ultra larga finalizzati al blocco delle componenti continue dei segnali, introducendo la nuova serie GX0S, capace di lavorare nel range di frequenza che va da 16 kHz fino a 40 GHz. Ideali per tutti i sistemi utilizzati nelle telecomunicazioni e proposti nel piccolo robusto package 0301, i nuovi condensatori hanno capacità di 0,1 µF con tolleranza di ±20% e perdite di inserzione limitate a 0,4 dB e possono bloccare le tensioni continue fino a 4V con temperatura entro 85 °C e fino a ben 6,3V, con tolleranza termica entro 125 °C.

Simile nelle funzionalità, ma diversa nella struttura portante, è la serie FFLC, con energia specifica capace di filtrare le componenti continue a elevata densità di potenza e perciò adatta alle applicazioni più robuste, come inverter e driver di comando per turbine o macchine industriali. La robustezza è ottenuta con un involucro di polipropilene che consente ai condensatori di sopportare da 800 fino a 1350V, fino a 400 Arms e offrire, secondo i modelli, capacità che vanno da 1,75 a 20,6 mF e induttanze parassite da 32 a 55 nH.

Massima linearità

Linear Technology offre un’ampia gamma di circuiti integrati per la protezione dei sistemi elettronici. Il nuovo amplificatore LTC6431-20 è progettato per le frequenze intermedie IF da 20 MHz fino a 2 GHz e ha un guadagno fisso di 20,8 dB su ingresso e uscita internamente adattati a 50Ω, il che ne semplifica l’implementazione nei circuiti. Le sue caratteristiche peculiari alla frequenza base di 240 MHz sono la bassa cifra di rumore di 2,6 dB, l’elevato filtraggio delle armoniche di intermodulazione del terzo ordine OIP3 (Output Third Order Intercept) pari a 46,2 dBm e un indice OP1dB (Output 1dB Compression Point), ossia il livello a cui si osserva 1 dB di perdite di conversione pari a ben 22 dBm.

Fig. 5 – ON Semiconductor propone la nuova famiglia dei Transient Voltage Suppressor ESD8000 capaci di bloccare fino a ±15 kV di ESD in un package di soli 2,5×1,0 mm

Questi valori ne fanno uno stadio a bassissima distorsione ideale per i ricevitori e i trasmettitori a banda intermedia e a radiofrequenza delle stazioni base telefoniche, radio e televisive. Fabbricato in tecnologia SiGe BiCmos, il chip è fornito in package a 24 pin da 4×4 mm con tolleranza termica da -40 a +85 °C. Nuovi sono anche i due forward controller sincroni LT3752 ed LT3752-1 con reset attivo del trasformatore e tensione di ingresso da 6,5 a 100V per il primo e fino a 400V per il secondo. Entrambi consentono la regolazione precisa della tensione d’uscita con un sofisticato controllo interno che non necessita di isolamento ottico.

Fusibili estremi

Littelfuse progetta e fabbrica fusibili di ogni tipo dal 1927 ed è fornitore ufficiale di fusibili per la NASA sin dalle prime missioni Apollo. Negli ultimi anni ha continuamente perfezionato l’efficienza dei suoi fusibili e di recente ha presentato la nuova famiglia 463 Series NANO2 Subminiature Fuse, che migliora la precedente serie 456 ed è capace di offrire un’elevatissima protezione in corrente anche ai circuiti con dimensioni ultra ridotte di attuale e futura generazione. I fusibili 463 Series NANO2 misurano 10,1×3,12×3,12 mm, tollerano da -55 fino a +125 °C e, inoltre, possono sopportare 500 cicli termici alle temperature limite da -30 a +80 °C bloccando i picchi di energia fino a 500A@72 Vdc, ma l’Interrupting Rating può essere espresso anche come 100A@250 Vac, 300A@65 Vac, 800A@57 Vdc, 1000A@32 Vdc, 1400A@48 Vdc e 2500A@12 Vdc.

Ci sono quattro modelli tutti con massima tensione di 250V ma con energia specifica passante (I2t) e corrente nominale rispettivamente di 142, 433, 668 e 916 A2sec e 15, 20, 25 e 30A. Per la scelta del fusibile più adatto a ogni circuito e la sua corretta polarizzazione, la società ha messo a disposizione dei progettisti il Littelfuse iDesign Online Fuse Design and Selection Tool che permette loro anche di scambiarsi idee e consigli.

Fig. 6 – Può sopportare fino a ±30 kV e 100A il nuovo TClamp1202P che Semtech propone in package da 2×2 mm per la protezione elettromagnetica di tutti i circuiti

ON Semiconductor ha recentemente aggiunto alcuni nuovi blocchi IP a segnali misti per i suoi innovativi processi di fabbricazione ONC18 in geometria di riga da 0,18 µm. Per la protezione delle interfacce dalle scariche elettrostatiche e dai transitori di tensione la società introduce i Transient Voltage Suppressor (TVS) a bassa capacità e a bassa tensione di bloccaggio ESD8000, caratterizzati dalla versatilità di implementazione del robusto package Udfn-10 di soli 2,5×1,0 mm, con tolleranza termica operativa da -55 a +125 °C.

La capacità di accoppiamento massima è contenuta in 0,35 pF mentre il filtraggio consente di bloccare fino a 8V e 16A e sopportare scariche ESD fino a ±15 kV. La famiglia è composta dai modelli 8004, 8006 e 8008 rispettivamente a 4, 6 e 8 linee tutte differenziali e con prestazioni in frequenza che ne consentono l’utilizzo nelle interfacce USB 3.0 e 3.1, HDMI 2.0, eSATA 3.0 e DisplayPort con velocità per il transito dei segnali fino a ben 10 Gbps. C’è anche una versione ESD8040 in package Udfn da 18 pin dedicata alla protezione ESD fino a ±15 kV di 14 linee HDMI e/o DisplayPort.

Transitori bloccati

Semtech è specializzata nello sviluppo e nella produzione dei dispositivi a semiconduttore a segnali misti per circuiti integrati digitali e analogici, che realizza con caratteristiche e prestazioni orientate alle applicazioni. Il nuovo TClamp1202P a bassa capacità (12 pF fra le otto linee presenti) consente di proteggere i sistemi dai transitori di tensione con intensità lineare fino a 12V e picchi ESD fino a ±30 kV, assicurando un’immunità alla corrente fino a ben 100A (distribuiti in 8A su ciascuno degli otto stadi e per una durata massima garantita di 20 µs).

Il package compatto SLP2020P5 da 5 pin e 2×2 mm ne consente l’implementazione a bordo degli apparecchi portatili, dove può essere impiegato per fermare le ESD e gli altri fenomeni elettrici che possono prodursi alle interfacce seriali e soprattutto sulla RS-485 o sulla RS-422, entrambe molto diffuse nell’industria per il comando delle macchine utensili. Simile, ma dedicato alle interfacce dei modem xDSL, è il modello TClamp1272S mentre i due nuovi RailClamp RClamp0582N e RClamp3346P servono per la protezione ESD ed EFT fino a ±20 kV e hanno la capacità ancora più bassa di 0,2 pF.

Lucio Pellizzari

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