Mikroprocessor ingångsskydd

[sebbe]

Hej!

jag håller på att konstruerar lite kretsar för fordonsmiljö och skulle vilja lära mig lite mer om hur man skyddar sig mot den yttre världen vad gäller ESD, över- och under-spänning och fel polaritet på ingångarna till mikroprocessorn bäst.
Så nu undrar jag hur ni brukar göra och om ni sitter på någon bra information om detta eller kan ge en fingervisning om vart man kan leta? Gärna med lite hård fakta och inte bara "ta en 100nf och en 10k för att det så man brukar göra" utan jag skulle vilja veta varför man just tar en 100nf och en 10k.

Det jag bygger är en krets för att samla in sensordata via ADCn med hjälp av en at90can och sedan skickar ut det på CAN-busen för dataloggning. Jag skulle vilja vara "säker" på att man kan misshandla ingångarna utan att något går sönder.

Min ide var att sätta ett motstånd i serie med signalen för att begränsa strömmen som går in till pinnen. Jag tänker mig i storleksordningen 1kΩ vilket vid 5V är 5mA och vid eventuell överspänning på säg 20V är strömmen 20mA vilket är under begränsningarna på µP (max ligger på 40mA). Är detta vettigt? Vad är lagom ström att ha som en bra signal in till ADCn?

Sen till att skydda sig mot denna överspänning använder man sig då av en zenerdiod som har en zenerspänning som är så nära precis ovan 5V som möjligt? Borde man tänkte på att den måste vara visst snabb eller någon annan parameter?
Hur gör man med underspänningen? Jag har sett att folk då använder sig av schottkydioder för detta? Hur kommer det sig?

Om jag har förstått det hela rätt så är schottkydioder väldigt snabba, kan man då använda dessa för att skydda sig mot ESD transienter? Jag har även sett att det finns något som heter TVS dioder för detta, vad är skillnaden?

Om man nu har alla dessa dioder för att skydda sig mot dvs spikar och transienter behöver men då ha en kondensator ner mot jord också eller är det bara för att runda/mjuka av signalen lite?

Tack på förhand!
Sebastian

[eqlazer]

Gäller det nån specifik OEM?
12V eller 24V?
Eller bara ute efter lite sunt förnuft?

Spänningen du ska mäta, är det en ren DC eller ska du mäta variationer? Hur snabba är de isf? Vilken upplösning på spänningen?
Är massa saker som begränsar hur du kan filtrera din mätsignal...

Lägg gärna upp ett schema på hur du har tänkt så har man lite att diskutera kring.

[sebbe]

Jag är egentligen mest bara ute efter sunt förnuft och kunskap om hur du designar detta skydd och filtrering för att sedan kunna applicera det lite varstans

Men drivspänningen är 12V och de sensorer jag vill mäta är alla sensorer med en DC spänning ut mellan 0-5V. De är för bla däcks temp, styrvinkel, fjädringsväg och andra temperaturer. ADCn i at90can ligger på 10bitar och 15ksps, och jag vill helst inte att filtreringen ska vara någon större begränsning för samplingshastighet eller upplösning. Men säg att man kör på 2000hz i samplingshastighet.

Som du märker har jag inte tänkt igenom samplingsbiten så mycket än, men som jag sa så är jag ute efter kunskap och design förslag och vill helst inte att "skyddet" begränsar processorns kapacitet.

Det jag vill skydda emot är eventuella felkopplingar så att 12V kommer in på en AD pinne, polvänt, ESD eller något annat skulle kunna komma in den vägen och förstöra.

[psynoise]

Hej.

Nu har jag ingen större erfarenhet i ämnet men några tankar kommer här ändå.

För att minska känsligheten mot störningar bör man alltid bandbreddsbegränsa alla in- och utgångar med ett filter så nära kontakten som möjligt. Principen är att störningar inte ska komma särskilt långt innanför den låda man använder sig av. Sådana filter kan vara av bandpass eller lågpass. Ordningen kan även variera beroende på vilka krav som ställs. I sin enklaste form kan ett RC-filter av lågpass räcka.

När det gäller överspänningsskydd inklusive statisk elektricitet används ofta någon typ av diod. Du var inne på zenerdiod men likriktardioder kopplade till jord och matningspänning är också vanligt. Schottydioder har lågt spänningsfall och finns i kapslingar om två dioder.

För att skydda mot jordslingor kan man använda transformatorer. Optokopplare är också vanligt där ett viss skydd mot felinkoppling också kan realiseras tror jag.

Som jag skrev i början är jag ingen expert, andra får gärna rätta, komplettera och bekräfta.

[Icecap]

Att hosta upp med ett standardsvar är lite som Ford-T modellen: du kan få vilken färg du vill, bara du väljer svart.

Det finns inget färdigt svar att ge då korrekt svar beror på så många olika faktorer.

Sedan är ett el-system i fordon synnerligt smutsiga, det finns saker som load-dump som kan ge mycket energirika strömpulser på upp emot 200V förutom de "vanliga" störningar så det är helt enkelt omöjligt att ge standard svar.

Dock finns det ändå några standardsvar att ge:
* Digitala ingångar! Använd optokopplare!
* Dra aldrig ut GND eller spänningsmatning oskyddad. Då menas filter, induktanser och i nödfall lågohms motstånd. Gärna allt.
* Dra aldrig ut VCC till en µC! Behövs samma spänning till sensorer eller liknande: en egen regulator!
* INGEN ledningar direkt till/från en µC!!!! ALDRIG!!! En µC-pinne får aldrig ha kontakt utanför kretskortet utan skydd!
* Vill du driva ett analogt signal ät det säkraste sätt att skicka det via filter och igenom en op-amp. Det ger avstörning och låg impedans till AD-omvandlaren.
* Zenerdioder fungerar - men är temperaturberoende, har läckström och inexakt zenerspänning. Inget bra vid analoga signaler.

[Fagge]

En sådan här till varje utsatt I/O pinne borde väll vara lösningen på ESD problematiken. 70-157-79

[TomasL]

Seriemotstånd, kondingar och transiler (dvs transientskyddsdioder) fixar det mesta, samt även CM-filter är bra att ha.

[Swech]

Den du länkar till Fagge är lite för klen i Automotive sammanhang.

"Load dump" är något som kan inträffa om kabeln till batteriet ger sig samtidigt som
generatorn håller på att ladda. Då blir det en rejäl kyss i systemet.
Har man då för klena transientdioder så går dessa åt h....

På digitala IO pinnar brukar RC + 5V zener funka bra.
På matning mellan + och - sätter man en rejäl tranzil (brukar ta en 5kW modell)

Polvändningsskydd är också att rekommendera då det ibland händer att folk kopplar batteriet
bak o fram.. Det räcker alltså inte att tänka "kablarna installeras fast så det kan inte bli
polvändning)

Swech

[Mindmapper]

Att hosta upp med ett standardsvar är lite som Ford-T modellen: du kan få vilken färg du vill, bara du väljer svart.

Det finns inget färdigt svar att ge då korrekt svar beror på så många olika faktorer.

Sedan är ett el-system i fordon synnerligt smutsiga, det finns saker som load-dump som kan ge mycket energirika strömpulser på upp emot 200V förutom de "vanliga" störningar så det är helt enkelt omöjligt att ge standard svar.

Dock finns det ändå några standardsvar att ge:
* Digitala ingångar! Använd optokopplare!
.
.
quote]

Seriemotstånd, kondingar och transiler (dvs transientskyddsdioder) fixar det mesta, samt även CM-filter är bra att ha.

Det finns två filosofier när det gäller digitala ingångar.
Den billiga och enklare lösningen att implementera heter optokopplare. Dock så är optokopplare ganska ömtåliga i sig själv och de som har större krav måste ta till kostsamma åtgärder för att skydda optokopplarna.

Siemens t.ex använder inte optokopplare i sina system där stor driftsäkerhet krävs, utan de går mera på TomasL's linje utan optokopplare. För att få hög driftsäkerhet krävs kostsammare lösningar än med optokopplare, det krävs också mera utav konstruktörerna.

I ett fall där jag var med och tog fram en lösning, slog blixten sönder det mesta. Även de dyraste utrustningarna slogs sönder av direktträffar i ledningsnätet. För att skydda systemen gjorde vi barrierer av optokopplare som inte var speciellt mycket skyddade. Efter en blixtträff kunde personer med en relativt liten utbildningsinsats åka runt och byta optokopplare på alla ut och ingående signalledningar. Eftersom kostnaden för optokopplarna var små kunde man byta ett relativt stort antal oavsett om de var trasiga eller inte. Systemen var snabbt uppe och rockade igenjämfört om man skulle skicka ut kvalificerad personal som felsökte och bytte ut/lagade det som var trasigt.

I fallet bil är det lättare att skydda sig eftersom man vet vad man kan råka ut för. Optokopplare innebär i det fallet en enkel lösning som ger fördelar av galvanisk kontakt, så det är nog enklast för de som inte har erfarenhet av andra lösningar.

[Icecap]

Jo, optokopplare är inte stryktåliga, det håller jag med om. I fordonsmiljö har de dock fördelar: ingen jordslinga!

Men som jag skrev: det finns ingen standardlösning man bara kan klappa på och sedan är det lugnt, det behövs en grundlig analys av vilka signaler man vill ha igenom och vilka man inte vill ha igenom.

Min regel är att en µC får inte ha någon direkt koppling till omvärlden alls förutom GND och även det ska man begränsa maximalt. Det måste finnas något skydd/drivkrets/buffer mellan - alltid!

[TomasL]

Dock beror det naturligtvis på vad det är för några signaler, är de analoga, funkar inte optokopplarna, är de snabba så blir kopplarna rätt dyra.

Om man lägger 100k i serie med ingångspinnen, samt 100n mot jord, och klampar både mot jord och matning, så överlever nog det mesta.
Naturligtvis får man ju räkna på tidskonstanten i RC-nätet, och anpassa det efter applikationen.

Kommeriella ESD-skydd, dvs PI-filter brukar ha 100 ohm i serie och 30p på var sida samt transiler mot jord.

Kika på dessa, hur de är kopplade. http://www.onsemi.com/PowerSolutions/pr ... id=NUF6105

[Mindmapper]

I vissa fall kan man ju gå vägen över en digitalisering av analoga signaler för att kunna använda optokopplare eller digitala ingångar. V/F-omvandling är ju en möjlighet. Eller PWM, seriedata är ju en annan möjlighet.

Men visst är det rätt att analoga signaler kan vara ett bekymmer i störningrik miljö.