Progettare in applicazioni industriali gravose

PROTEZIONE –

Le applicazioni del comparto industriale richiedono l’uso di componenti affidabili e robusti capaci di operare in ambienti anche molto gravosi. In un contesto come questo, il problema della robustezza deve essere affrontato fin dalle fasi iniziali di un progetto.

La robustezza di un circuito integrato, che si può esprimere in termini di intervallo di temperatura operativa, capacità di gestire elevati livelli di rumore elettrico e di garantire un adeguato livello di protezione contro guasti e scariche elettrostatiche, non è necessariamento il primo aspetto che un progettista prende in considerazione nella scelta dell’integrato stesso. Nondimeno, la robustezza è un parametro chiave per realizzare un prodotto affidabile ed in grado di funzionare correttamente per un lungo periodo. Ciò è vero soprattutto nel momento in cui si deve progettare un sistema destinato all’uso in ambienti industriali, dove condizioni operative gravose sono all’ordine del giorno. Le apparecchiature industriali possono essere esposte ad ampi intervalli di temperatura, a rumore elettrico di intensità elevata sia sulle linee di alimentazione che sulle linee dati, e a malfunzionamenti dovuti a scariche elettrostatiche o a corto circuiti. Oggigiorno lo standard de facto per l’intervallo di temperatura operativa dei circuiti integrati destinati ad applicazioni industriali è compreso tra -40 °C e +85 °C, un range più ampio di 15 °C rispetto all’intervallo standard di qualche anno fa (che era compreso tra -40 °C e +70 °C). La tendenza in atto è di ampliare ulteriorimente questo intervallo: l’obbiettivo è garantire il funzionamento nel range compreso tra -40 °C e +125 °C, ovvero quello previsto per le applicazioni in campo automotive. Poichè i livelli di corrente e di densità di potenza richiesti sono sempre più elevati, appare evidente che i produttori di circuiti integrati devono realizzare dispositivi in grado di resistere a temperature via via più alte se non vogliono correre il rischio di essere esclusi dal processo di selezione da parte degli utilizzatori.

La gestione dei transitori di tensione
I transitori di tensione spesso si manifestano sulle linee di alimentazione a causa di cablaggi non corretti o di corto circuiti accidentali. Se gli ingressi non sono protetti, questi transitori possono arrecare danno ai circuiti a valle. Un semplice circuito di tipo discreto, composto da un fusibile in serie con un diodo Tvs (soppressore di tensioni transitorie) è la soluzione tradizionalmente adottata per la protezione contro la maggior parte dei transitori di tensione.
La protezione contro i transitori realizzata mediante componenti discreti evidenzia comunque alcune limitazioni. La soglia di protezione del diodo Tvs spesso non è ben controllata e può variare in modo molto marcato in funzione della temperatura. Il fusibile, inoltre, deve essere sostituto dopo che si è verificata una condizione di sovratensione. Senza dimenticare che transitori di notevole entità richiedono il ricorso a diodi Tvs di grandi dimensioni, il che si traduce in un aumento degli ingombri sulla scheda e della quantità di calore che deve essere dissipata. Un approccio per la gestione di sovratensioni ed eventi transitori che permette un miglior controllo prevede l’integrazione della soglia di protezione e del circuito di risposta all’interno di un circuito integrato. Al fine di garantire una risposta sempre affidabile, in un gran numero di circuiti integrati di protezione e supervisione sono inclusi comparatori e diodi. Alcuni circuiti integrati incorporano funzioni di protezione delle linee dati dai guasti dovuti ad alte tensioni. Per proteggersi dai danni, un dispositivo protetto dai guasti si bloccherà (latch-up) quando vengono superati i normali livelli di tensione sulla linea dati. Un esempio è rappresentato dalla famiglia di multiplexer MAX4708
di Maxim Integrated. MAX4708/MAX4709 (multiplexer singolo 8:1/doppio 4:1) includono due rilevatori di guasti: un rilevatore high-side per tensioni dei terminali NO_ superiori a quelle del terminale di alimentazione positiva (V+), ed un rilevatore low side per tensioni dei terminali NO_ inferiori a quelle del terminale di alimentazione negativa (V-). Una condizione di guasto si verifica quando la tensione in corrispondenza di NO_ supera quella di uno dei due terminali di alimentazione: a questo punto, i Fet N1 e P1 vengono entrambi spenti. Questo approccio permette di scollegare rapidamente ingresso e uscita dello switch quando si manifesta una condizione di guasto. I transitori di tensione nei sistemi dati possono anche essere gestiti con transceiver RS-485. L’ingresso del ricevitore e l’uscita del driver di un transceiver RS-485 possono essere esposti a tensioni maggiori rispetto a quelle del range di modo comune – compreso tra -7 V e +12 V – previsto dallo standard EIA/TIA-485 per un sistema industriale. I transceiver delle ultime generazioni sono progettati per resistere a questi fenomeni di sovratensione, ed oggigiorno possono sopportare anche valori fino a +/- 80 V (rispetto a massa) senza subire danni. Questa tecnologia allo stato dell’arte assicura una protezione affidabile ed una notevole longevità operativa.

Protezione contro scariche Esd e guasti
I circuiti di protezione Esd integrati proteggono un IC dai danni prodotti dalle cariche elettrostatiche, e contribuiscono a conferire una maggiore robustezza al sistema complessivo. La scarica elettrostatica, un altro fenomeno che provoca sovratensione, si verifica quando due materiali con potenziali elettrici differenti entrano in contatto, trasferiscono le cariche statiche immagazzinate, ed innescano una scintilla. Le scintille imputabili alle cariche elettrostatiche sono spesso prodotte dall’interazione di una persona con gli oggetti che la circondano. Queste scintille involontarie possono modificare le proprietà di un dispositivo a semiconduttore, provocando malfunzionamenti o, nei casi peggiori, la distruzione del dispositivo stesso. Le scariche elettrostatiche rappresentano un serio problema per il comparto industriale: stime attendibili evidenziano che esse provochino danni dell’ordine dei miliardi di dollari ogni anno. I fenomeni elettrostatici che si verificano sul campo provocano guasti a livello di singolo componente o, nei casi più gravi, a livello di sistema. Per la protezione delle linee dati è possibile ricorrere a diodi Esd esterni e ad altri tipi di circuiti formati da componenti discreti. Parecchi circuiti integrati includono funzioni di protezione contro le scariche elettrostatiche e non richiedono quindi ulteriori protezione esterne. Gli impulsi di tensione sugli I/O di segnale vengono agganciati a Vcc o a massa proteggendo i circuiti interni. Numerosi prodotti di interfaccia e commutatori analogici integrano una protezione Esd conforme agli standard IEC 1000-4-2. Il transceiver RS-485 Profibus MAX14770E di Maxim Integrated è caratterizzato da un livello di protezione Esd di ±35 kV in base al modello Hbm (Human Body Model).

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