Circuit de protection

Protéger les entrées analogiques des circuits intégrés contre les tensions transitoires élevées






  • Faute d’une protection appropriée, les tensions transitoires élevées d’origine externe qui interagissent avec les nœuds d’entrée et de sortie analogiques d’un système peuvent endommager les composants situés à l’intérieur du système.
  • Sur les circuits intégrés modernes, les broches des entrées et sorties analogiques sont généralement protégées contre les tensions transitoires élevées associées aux décharges électrostatiques (ESD — Electro Static Discharge). Le modèle du corps humain (HBM — Human Body Model), le modèle de la machine (MM — Machine Model) et le modèle du composant chargé (CDM — Charged Device Model) sont les standards utilisés pour mesurer la capacité d’un appareil à résister à des décharges électrostatiques (ESD).
  • Ces essais permettent de concevoir des appareils capables de résister au processus de fabrication et d’assemblage sur circuits imprimés qui ont généralement lieu dans un environnement contrôlé. 
  • David Forde d’Analog Devices explique comment protéger les entrées analogiques des circuits intégrés contre les tensions transitoires élevées, conformément aux normes CEI 61000-4-2, CEI 61000-4-4 et CEI 61000-4-5.

 

Les systèmes fonctionnant dans des environnements électromagnétiques difficiles doivent être en mesure de supporter des tensions transitoires élevées au niveau des nœuds d’entrée ou de sortie. En outre, lorsqu’on passe d’un modèle standard « au niveau composant » à un modèle standard « au niveau système » pour bénéficier d’une robustesse aux tensions transitoires élevées, la différence entre les niveaux d’énergie transmis à la broche d’un circuit intégré est significative. C’est pourquoi les circuits directement connectés aux nœuds d’entrée/sortie du système doivent eux aussi être suffisamment protégés pour résister aux tensions transitoires élevées au niveau système. Faute de prévoir cette protection dès le début de la phase de conception, le système risque d’être insuffisamment protégé, le lancement du produit retardé et les performances dégradées. Le présent article explique comment protéger les nœuds d’entrée et de sortie analogiques sensibles face à des tensions transitoires élevées, conformément aux normes CEI applicables.

 

Protection des entrées analogiques haute précision selon les normes CEI

Figure 1. Protection des entrées analogiques haute précision selon les normes CEI.

 

Norme CEI 61000

La norme CEI 61000 couvre la compatibilité électromagnétique (CEM) au niveau du système. Elle comprend trois parties qui concernent les tensions transitoires élevées et couvrent respectivement les décharges électrostatiques (CEI 61000-4-2), les transitoires électriques rapides en salves (CEI 61000-4-4) et les ondes de choc (CEI 61000-4-5). Elles se rapportent « aux exigences et méthodes d’essais relatives à l’immunité des matériels électriques et électroniques, soumis à des décharges d’électricité statique ».

L’objectif principal des essais menés selon la norme CEI 61000-4-2 est de déterminer l’immunité des matériels électriques et électroniques soumis à des décharges d’électricité statique produites directement par les opérateurs, et entre le personnel et des objets situés à proximité — par exemple, lorsque l’entrée/sortie d’un système entre en contact avec un individu, un câble ou un outil porteur de charge. Selon la norme CEI 61000-4-2, les essais doivent être effectués à l’aide de deux méthodes de couplage : décharge au contact (contact discharge) et décharge dans l’air (air gap discharge).

Dans le cadre des essais d’immunité aux transitoires électriques rapides en salves (EFT — Electrical Fast Transient) selon la norme CEI 61000-4-4, plusieurs impulsions transitoires extrêmement rapides sont couplées sur les lignes de signaux pour représenter les perturbations transitoires associées aux circuits de commutation externes reliés par capacité sur les lignes de signaux. Ces essais reflètent le rebondissement des contacts de commutation ou les transitoires générés par la commutation de charges inductives ou capacitives, des phénomènes que l’on trouve couramment dans les environnements industriels.

Les pics de tensions transitoires sont dus aux surtensions provoquées par la foudre ou des transitoires de commutation. Les transitoires de commutation peuvent être liés à la commutation du système d’alimentation électrique, à des variations de charge dans les systèmes de distribution d’énergie, ou à divers défauts (courts-circuits et formation d’un arc électrique) sur le système de mise à la terre de l’installation. Les transitoires de foudre peuvent être provoqués par des tensions et des courants élevés injectés dans le circuit par la foudre qui frappe à proximité.

 

Suppresseurs de transitoires (TVS)

Paramètres de base des suppresseurs de transitoires :

Un suppresseur de transitoires (TVS — Transient Voltage Suppressor) a pour fonction de supprimer les pointes de tensions. Ce composant est utilisé pour écrêter les tensions transitoires élevées et écarter les forts courants des circuits sensibles. Les paramètres de base d’un TVS sont les suivants :

  • Tension inverse de crête (VRWM) : niveau de tension au-dessous duquel il n’y a pas de conduction significative ;
  • Tension de claquage : niveau de tension auquel se produit une conduction spécifiée.
  • Tension d’écrêtage maximale : niveau de tension maximum aux bornes du composant lorsque s’écoule le courant maximum spécifié.

Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lorsqu’un suppresseur de transitoires est utilisé en entrée ou sortie d’un système. Un événement tel qu’une décharge électrostatique (ESD) ou un transitoire électrique ultrarapide en salves (EFT) générera une forme d’onde transitoire très brève (1 à 5 ns), avec à la clé une tension de dépassement (overshoot voltage) initiale à l’entrée du système avant que le suppresseur de transitoires écrête à sa tension de claquage. Une onde de choc (surge) aura une forme transitoire différente, avec un front montant lent (1,2 µs) et une impulsion de longue durée (50 µs). Dans ce cas, la tension sera d’abord écrêtée à la tension de claquage, mais elle peut continuer d’augmenter jusqu’à la tension de claquage maximale du suppresseur. De plus, la tenue du suppresseur TVS doit être supérieure à toute surtension en courant continu tolérée pouvant être provoquée par un câblage défectueux, une perte de puissance ou des erreurs effectuées par l’utilisateur, afin de protéger le système contre cet épisode de surtension en courant continu. Ces trois situations peuvent induire une surtension potentiellement dangereuse à l’entrée des circuits montés en aval.

 

Circuit de protection d’entrée analogique

Afin de protéger un nœud d’entrée/sortie dans son intégralité, le système doit être protégé contre les surtensions en courant continu et les tensions transitoires élevées. L’association d’un suppresseur de transitoires (TVS) et d’un circuit de protection contre les surtensions (OVP — Overvoltage Protection) à la fois précis et robuste à l’entrée du système permet de protéger les circuits sensibles en aval (par exemple, les convertisseurs analogique-numérique ou les entrées/sorties d’un amplificateur) ; en effet, un circuit OVP peut être utilisé pour bloquer les surtensions et supprimer les courants résiduels qui ne sont pas dérivés vers la terre par le suppresseur.

 

Schéma fonctionnel d’un circuit OVP

Figure 2. Schéma fonctionnel d’un circuit OVP.

 

La figure 2 représente le schéma fonctionnel d’un circuit typique de protection contre les surtensions ; il est à noter que ce commutateur ne dispose pas de diodes de protection contre les décharges électrostatiques référencées associées à sa tension d’alimentation en entrée. A contrario, une cellule de protection ESD se déclenche au-dessus de la tension d’avalanche maximale, ce qui permet au composant de bloquer les tensions supérieures à sa tension d’alimentation. Dans la mesure où un système analogique exige typiquement que seules les broches orientées vers l’extérieur de l’interrupteur soient protégées selon les normes CEI, les diodes de protection ESD sont conservées sur les broches orientées vers l’intérieur (notées en tant que sortie de commutation ou côté drain). Bien qu’ajoutées, ces diodes sont fort utiles en tant que protection secondaire. Pendant une courte durée — c’est-à-dire un transitoire de tension élevé avec épisode ESD ou EFT —, la tension transitoire est écrêtée, de sorte que la tension n’atteindra pas les circuits en aval. Pendant une longue durée — un transitoire de tension élevé avec une surtension à front montant lent —, la tension de sortie du commutateur est écrêtée par les diodes de protection internes avant que la protection contre les surtensions du commutateur soit activée et que le commutateur s’ouvre pour éviter complètement l’anomalie aux circuits situés en aval.

La figure 3 représente les aires de fonctionnement d’une entrée système en contact avec le monde extérieur. La partie gauche (en vert) représente le fonctionnement normal, où la tension d’entrée se situe dans la plage de tension d’alimentation. La partie en bleu représente la plage de surtensions en courant continu persistant ou en courant alternatif longue durée appliquées à l’entrée à la suite d’une perte de puissance, d’un mauvais câblage ou de courts-circuits. À droite en violet, la tension de déclenchement des diodes de protection ESD internes du circuit de protection contre les surtensions. La tension de claquage du TVS (en orange) doit être inférieure à la tension d’avalanche maximale du circuit de protection contre les surtensions, mais également supérieure à toute surtension en courant continu persistant ou en courant alternatif longue durée afin d’éviter de déclencher le suppresseur de transitoires par inadvertance.

 

Aires de fonctionnement du système

Figure 3. Aires de fonctionnement du système.

 

Le circuit de protection représenté à la figure 4 peut résister à une décharge électrostatique au contact de 8 kV et dans l’air de 16 kV (normes CEI), à un transitoire électrique rapide en salves (EFT) de 4 kV et à une onde de choc (surge) de 4 kV. Disponible sous la référence ADG5412F, le circuit de protection et de détection de surtensions jusqu’à ±55 V contient quatre commutateurs unipolaires unidirectionnels (SPST) et peut résister aux surtensions causées par des décharges électrostatiques, des transitoires électriques rapides en salves et des ondes de choc, tandis que l’association de la protection contre les surtensions et de diodes de protection au niveau du drain protège et isole les circuits en aval. Le tableau 1 indique le niveau des tensions transitoires élevées que le circuit ADG5412F peut supporter sous diverses combinaisons de résistances et de tensions de claquage du TVS.

 

Circuit de protection

Figure 4. Circuit de protection.

 

Tableau 1 : Résultat des essais (les essais de décharge dans l’air selon les normes CEI n’ont pas été effectués avec une résistance de 0 Ω sur des suppresseurs 33 V et 45 V)

 

Protection

Protection contre les décharges électrostatiques au contact selon la norme CEI 61000-4-2

Décharges électrostatiques au contact selon CEI 61000-4-2 — Décharges électrostatiques dans l’air selon CEI 61000-4-2

Transitoires électriques rapides (EFT) selon la norme CEI 61000-4-4

Protection contre les transitoires électriques rapides en salves (CEI 61000-4-4) et les ondes de choc (CEI 61000-4-5)

Suppresseur de transitoires 33 V et résistance 0 Ω

5 kV

3 kV

4 kV

Suppresseur de transitoires 33 V et résistance 0 Ω

8 kV

16 kV

4 kV

4 kV

Suppresseur de transitoires 45 V et résistance 0 Ω

4 kV

2 kV

4 kV

Suppresseur de transitoires 45 V et résistance 15 Ω

8 kV

16 kV

4 kV

4 kV

Suppresseur de transitoires 54 V et résistance 30 Ω

8 kV

16 kV

4 kV

4 kV

 

Le réseau de protection se compose d’un suppresseur de transitoires et d’une résistance optionnelle de faible valeur. Cette résistance est indispensable pour atteindre de plus hauts niveaux de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) et les transitoires électriques rapides en salves (EFT), car elle empêche la cellule de protection ESD interne du commutateur de surtension de se déclencher avant que le suppresseur TVS écrête la tension en entrée. La figure 4 représente également les différentes trajectoires de courant lors d’un transitoire à forte tension. La majeure partie du courant est mise à la terre par le TVS (trajet I1). Le trajet I2 correspond au courant dissipé par les diodes de protection ESD internes à la sortie de l’interrupteur ADG5412F, tandis que la tension de sortie est écrêtée à 0,7 V au-dessus de la tension d’alimentation. Enfin, le courant associé au trajet I3 correspond au niveau de courant résiduel que les composants en aval doivent supporter. Pour plus de détails sur ce circuit de protection, se reporter à note d’application AN-1436 d’Analog Devices.

 

Protection contre les décharges électrostatiques selon les normes CEI

 

Circuit d’essai

Figure 5. Circuit d’essai.

 

Les figures 6 et 7 indiquent les mesures relevées lors d’une décharge au contact de 8 kV et d’une décharge dans l’air de 16 kV en utilisant le circuit d’essai illustré à la figure 5. Comme nous l’avons vu précédemment, une surtension initiale est appliquée à la broche de la source avant que le suppresseur de transitoires écrête la tension à environ 54 V. Pendant cette surtension, la tension au drain de l’interrupteur est écrêtée à 0,7 V au-dessus de la tension d’alimentation. La mesure du courant de drain indique le courant qui circule dans les diodes de l’appareil en aval. Le courant de crête de l’impulsion est d’environ 680 mA pour une durée de seulement 60 ns environ. Par comparaison, une décharge électrostatique de 1 kV selon le modèle corps humain (HBM) avec un courant de crête de 660 mA dure 500 ns. Il est par conséquent possible de conclure raisonnablement qu’un composant en aval ayant une résistance aux décharges électrostatiques HBM de 1 kV pourra résister à la fois à une décharge au contact de 8 kV et à une décharge dans l’air de 16 kV (selon les normes CEI) en utilisant ce circuit de protection.

 

Tension de drain et courant de sortie au drain en cas de décharge électrostatique de 8 kV

Figure 6. Tension de drain et courant de sortie au drain en cas de décharge électrostatique de 8 kV.

 

Tension de drain et courant de sortie au drain en cas de décharge dans l’air de 16 kV

Figure 7. Tension de drain et courant de sortie au drain en cas de décharge dans l’air de 16 kV.

 

Protection contre les transitoires électriques rapides en salves (EFT)

La figure 8 représente une mesure prise pendant une impulsion lors d’un transitoire électrique rapide en salves (EFT) de 4 kV. Comme dans le cas d’un transitoire ESD, une surtension initiale se produit sur la broche de la source avant que le suppresseur de transitoires TVS n’écrête la tension à environ 54 V. La tension au drain de l’interrupteur pendant cette surtension est à nouveau écrêtée à 0,7 V au-dessus de la tension d’alimentation. Dans ce cas, le courant de crête de l’impulsion qui circule dans l’appareil en aval est de seulement 420 mA et la durée du courant d’environ 90 ns. Si l’on compare encore une fois cela à une décharge électrostatique selon le modèle HBM, une décharge électrostatique de 750 V selon le modèle HBM aura un courant de crête de 500 mA pour une durée de 500 ns. L’énergie est par conséquent transmise à la broche du dispositif aval lors d’un transitoire électrique rapide en salves (EFT) de 4 kV, soit moins que dans le cas d’une décharge électrostatique de 750 V selon le modèle HBM.

 

Intensité d’un transitoire électrique rapide en salves EFT pour une impulsion unique

Figure 8. Intensité d’un transitoire électrique rapide en salves EFT pour une impulsion unique.

 

Protection contre les surtensions

Les valeurs indiquées en figure 9 montrent le résultat d’une onde de choc de 4 kV appliquée à l’entrée du circuit de protection. Comme mentionné précédemment, la tension à la source peut augmenter au-delà de la tension de claquage du suppresseur (TVS) jusqu’à sa tension d’écrêtage maximale. Dans ce circuit, le délai de réaction du commutateur de protection contre les surtensions est d’environ 500 ns, et la tension au drain de l’appareil écrêtée à 0,7 V au-dessus de la tension d’alimentation pendant la première période de 500 ns. Le courant de crête qui circule vers l’appareil en aval est de seulement 608 mA pendant cette période. Après environ 500 ns, le commutateur se bloque (off) et isole les circuits en aval. Une fois de plus, cette valeur est inférieure à l’énergie transmise lors d’une décharge électrostatique de 1 kV selon le modèle corps humain (HBM).

 

Fonctionnement d’un système de protection suite à une onde de choc

Figure 9. Fonctionnement d’un système de protection suite à une onde de choc

 

Conclusion

Cet article décrit comment protéger les entrées et sorties analogiques de circuits intégrés contre les tensions transitoires élevées, conformément aux normes CEI 61000-4-2, CEI 61000-4-4 et CEI 61000-4-5.

Les concepteurs de systèmes disposent ainsi des informations nécessaires pour concevoir des entrées et sorties analogiques protégées tout en bénéficiant des avantages suivants :

  • conception de la protection simplifiée ;
  • lancement sur le marché accéléré ;
  • meilleures performances du circuit de protection grâce à l’utilisation d’un nombre réduit de composants discrets ;
  • valeur réduite de la résistance série dans le trajet du signal
  • sélection du suppresseur de transitoire simplifiée grâce à une large fenêtre de conception TVS
  • protection au niveau système pour les normes suivantes :
  • décharge dans l’air jusqu’à16 kV selon CEI 61000-4-2
  • décharge au contact jusqu’à 8 kV selon CEI 61000-4-2
  • jusqu’à 4 kV selon CEI 61000-4-2-4
  • jusqu’à 4 kV selon CEI 61000-4-2-5
  • protection contre les surtensions en courant alternatif et en courant continu persistant jusqu’à ± 55 V
  • protection contre les coupures de courant (power-off) jusqu’à ±55 V

 

Annexe

Produits de protection et de détection des surtensions : ±55 V

Référence

Configuration

Niveau ESD selon modèle HBM (kV)

Spécifications

Tensions de caractérisation (VNOM)

Boîtier

RON Typ (Ω)

RON Flatness (Ω)

Courant de fuite On Typ (nA)

QINJ Typ (pC)

BW (MHz)

Simple

Double

12

36

±15

±20

TSSOP

LFCSP

ADG5412F/ADG5413F

SPST 4

5,5

10

0,6

0,3

680

270

EP

ADG5412BF/ADG5413BF

SPST 4

3

10

0,6

0,3

680

270

ADG5436F

SPDT 2

6

10

0,6

0,3

654

108

ADG5243F

SPDT 3

3,5

270

7

0,3

0,8

350

ADG5404F

4:1/mux

5

10

0,6

0,3

680

108

ADG5208F/
ADG5209F 

8:1/diff
4:1/mux

3,5

250

6,5

0,3

0,4

190/
290

ADG5248F/
ADG5249F

8:1/diff
4:1/mux

3,5

250

6,5

0,3

0,8

190/
320

ADG5462F

Protecteur de voies ×4

4

10

0,6

0,3

N/A

318

 

À propos de l’auteur
David Forde, ingénieur chez Analog Devices
David Forde a rejoint Analog Devices en 2006 en tant qu’ingénieur de layout, en possession d’une licence (B.Sc) en conception de circuits intégrés du Carlow Institute of Technology. En 2011, il obtient une maîtrise en ingénierie en systèmes VLSI (Université de Limerick) ; en 2015, il rejoint le groupe Instrumentation & Precision Technology en tant qu’ingénieur d’applications pour le portefeuille de produits « commutateurs et multiplexeurs analogiques.