Protection ESD et surtension continue

[trendkiller]

Bonjour,

J'aimerais quelques avis éclairés car je tourne un peu en rond sur une protection d'une entrée d 'un AOP.
J'ai un signal 0-18V qui va attaquer un pont diviseur qui ramène à 0-3V3 puis qui rentre dans un AOP suiveur (TLV9062 qui d'après la datasheet tient les +/- 1500V et 4000V en ESD, mais j'aimerais rehausser ces valeurs avec une TVS externe) pour attaquer un ADC.

Est-il possible de protéger simplement contre les ESD, donc du transitoires rapides, et des surtensions continues ?

J'étais partie sur une résistance série puis une diode TVS qui j'utilisais de manière un peu bâtarde en mode régulation. Le Vr de la diode est de 18V, le Vbr de 20 à 22V et le clamp de 29.2V à 20A Ipp. Je m'étais dit que la résistance limiterait le courant dans la diode en mode surtension continue pour agir un peu comme une zener (j'avais trouvé ce que je voulais pour dissiper correctement jusque 32V de surtension continue, protéger contre un 32V continue serait déjà très bien). Et si une ESD survenait, la TVS jouerai sont rôle avec la tension de clamp etc...
Mais je me pose plusieurs questions :

- En cas d'ESD, bien que ce soit des impulsions très courtes, elles peuvent faire plusieurs kV et j'ai peur que la résistance série pète...?
- Après cette réflexion, je me suis dit mettre cette même TVS en entrée sans la résistance série (fonctionnement plus "normale" en ESD), puis une résistance série avec une zener 18V derrière. En cas d'ESD la TVS aurait clampé à moins de 30V, ce qui aurait peut-être permis à la zener de réguler correctement derrière (je ne suis pas sûr que la zener aura le temps de réagir par contre...). Mais le contre coup, je pense que si on place une tension continue de 32V sur la TVS en entrée, elle va conduire à mort, grosse surchauffe et claquage...
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[Vincent PETIT]

Bonjour,
Il faut que tu distingues les types de protections :

Protection CEM

- ESD, le coup de jus qu'on se prend lors de temps sec ou hiver quand on touche une partie métallique.
- Le surge, la surtension liée à la foudre ou à un problème sur le réseau électrique
- Les Fast Transient, des perturbations transmit par couplage et issues d'un générateur HF.

Protection électrique

- Le cas typique du découpage d'une inductance où il faut nécessairement protéger l'électronique.

Protection contre une mauvaise utilisation

- L'utilisateur a envoyé une tension supérieure à 18V sur l'entrée du pont diviseur ou sur quelque chose qui n'était pas du tout prévue.

Suivant le type de protection souhaité, on ne choisit pas le même composant mais encore faut-il qu'il y ait un risque sur l'entrée. Bref, il faut une stratégie des protections. Je prends cet exemple :



Pour rappel :
D1 est une transil bidirectionnelle (mal représentée sur mon schéma, désolé) qui sert à protéger des ESD, des Surges et à couper la tête des Fast Transient.
C1 est un filtre de mode différentiel pour renvoyer les Fast Transient à leur source.
L1 et L2 sont optionnelles pour la compréhension (ce sont des ferrites qui filtres le courant de mode différentiel)
R1 et R2 sont ton pont diviseur
D2 et D3 sont des diodes d'écrêtages de types Schottky pour leur faible V_F

La stratégie qui est un simple raisonnement en cascade :
Si D1 clamp à 30V max il faut que la tension de service de C1 soit supérieure (3x supérieure est un standard en sécurité = 100V) sinon il peut mourir il faut que le pont résistif résiste à la puissance dissipée par la présence de 30V à ses bornes il faut que le tension résultante en sortie de pont soit inférieure au V_R de D3 il faut que V_F de D2 ne dépasse pas ce que U1 peut supporter en entrée.


Tu vois l'idée ?

[trendkiller]

Bonjour,

Oui je comprends, pas de soucis, c'est justement la CEM et la mauvaise utilisation que j'essaie de concilier.

- Y a-t-il un intérêt à utiliser D2 et D3 pour écrêter plutôt qu'une zener avec une résistance série ?
- Y a-t-il un intérêt à mettre cette protection après le pont diviseur plutôt qu'avant ? j'étais plutôt sur une zener en amont du pont diviseur.

Mon montage diode ESD // puis résistance série puis zener // doit fonctionner aussi logiquement ?
En fait je pense que j'ai la réponse pour calibrer correctement l'ensemble.

Sur la protection en surtension continue (résistance + zener), je calibre pour écrêter à 18V avant mon pont diviseur. La tenue en surtension continue sera de 32V (par choix)
Pour l'ESD je mets la transil tout en entrée du signal (avant la diode zener et la résistance série) mais je la calibre pour que le Vrwm soit un peu supérieur au 32V, comme ça la transil ne conduit jamais en cas de surtension continue.
On se retrouvera surement avec un Vclamp aux alentours de 50/60V (je dois voir selon la transil choisie). Ça peut le faire comme ça ?
Si oui, ces 50/60V clampés de transitoire ESD ne poseront pas de soucis à l’ensemble résistance/diode zener puisque c'est sur un laps de temps très court ? ou alors faut-il calibrer la dissipation de la zener et la résistance pour que ça tienne le Vclamp en entrée ? (parce que là ça commence à faire des gros composants)

J'espère que c'est compréhensible, j'ai un doute
Je mets de côté C1 et L1/L2 pour le moment. D'ailleurs D1 ne remplit-il pas le rôle de C1 ?

[Vincent PETIT]

- Y a-t-il un intérêt à utiliser D2 et D3 pour écrêter plutôt qu'une zener avec une résistance série ?

Disons qu'avec les Zener la limitation en tension est fonction du courant, qui doit être supérieur à I_K (il faut dépasser le coude) pour que ça limite proche de V_Z. Pour les petites valeurs de Zener les V_Z sont annoncées pour des courants de 20mA mais après le pont diviseur, je ne pense pas qu'on ait beaucoup de courant dispo. La zener ne protègera pas en cas de soustension.

- Y a-t-il un intérêt à mettre cette protection après le pont diviseur plutôt qu'avant ? j'étais plutôt sur une zener en amont du pont diviseur.

En la mettant après le pont diviseur, qui est souvent de haute impédance, celui-ci limitait le courant I_F des diodes schottky et surtout le V_R avait moins de chance d'être dépassé. Après le pont diviseur on est sur la mise en place de protection avec des petites tensions et des petits courants en jeu.

Mon montage diode ESD // puis résistance série puis zener // doit fonctionner aussi logiquement ?

Oui ça fonctionnera aussi. Il faudra prendre en compte la valeur de la résistance série dans le calcul du pont diviseur.

Sur la protection en surtension continue (résistance + zener), je calibre pour écrêter à 18V avant mon pont diviseur. La tenue en surtension continue sera de 32V (par choix)
Pour l'ESD je mets la transil tout en entrée du signal (avant la diode zener et la résistance série) mais je la calibre pour que le Vrwm soit un peu supérieur au 32V, comme ça la transil ne conduit jamais en cas de surtension continue.
On se retrouvera surement avec un Vclamp aux alentours de 50/60V (je dois voir selon la transil choisie). Ça peut le faire comme ça ?
Si oui, ces 50/60V clampés de transitoire ESD ne poseront pas de soucis à l’ensemble résistance/diode zener puisque c'est sur un laps de temps très court ? ou alors faut-il calibrer la dissipation de la zener et la résistance pour que ça tienne le Vclamp en entrée ? (parce que là ça commence à faire des gros composants)

Je pense avoir compris :



J'ai mis une phrase importante en gras. En effet, si la transil D7 clamp à 50V pour faire bretelle-ceinture oui il faut s'assurer de ce qui se passe avec (50V - V_Z la zener D6) aux bornes de la résistance série R5 et de ce qui se passe avec V_Z aux bornes du pont diviseur R6 et R7.

Je mets de côté C1 et L1/L2 pour le moment. D'ailleurs D1 ne remplit-il pas le rôle de C1 ?

D1 écrête, C1 filtre. Si un transitoire rapide arrive, D1 le limite en tension mais le transitoire est toujours là. Quand le transitoire va voir C1 il verra une impédance = 1/(C*2*Pi*F_transitoire) et sera court-circuité.

[A voir en vidéo sur Futura]

[trendkiller]

Je viens de faire quelques simulations et c'est vrai que le modèle avec 2 diodes schottky après le pont diviseur est séduisant. Je connaissais cette protection mais je n'avais jamais était un grand fan dans le sens ou ça réinjecte du courant dans l'alim et que donc le montage doit consommer à minima ce courant.

Mais après ce pont diviseur dont la résistance série est de 120k, ça limite le courant réinjecté à quelques centaines de uA sous 55V et 1.5mA sous 200V (pour une schottky au hasard sous LTspice). C'est peu et ça me permet de protéger encore de plus forte valeurs de surtensions continues. Accessoirement ça permet aussi de baisse le Vrwm de la diode transil à un peu plus de 18V, donc un Vclamp plus bas que les 50/60V attendu.
Les quelques centaines de uA dans la résistance de 120K donne une puissance très faible (quelques dizaines de mW) donc je peux mettre de petites résistances CMS. La tension aux bornes de la shottky est très faible, le courant la traversant aussi, donc même remarque sur Pd au niveau diode schottky.

1 autre question : (pour être certain de bien analyser)
- Je vois qu'il y a une tenue en tension inverse sur les schottky, si je ne me trompe pas pour la diode qui va sur le Vcc, on aura au max 3V3 (la tension d'alim) et pour la schottky à la masse ce sera les 3V3 + le Vf de la diode reliée au Vcc (cas ou on se trouve en surtension positive et que la diode supérieure est en action) ?

[trendkiller]

Rectification sur le mess précédent. Mettre une transil à Vrwm 18V la cramera en surtension continue...-_-
Il faut mettre un Vrwm égal à ce que je veux accepter en surtension continue, donc plutôt 32V, la transil ne souffrira pas jusque 32V comme ça.

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Cette solution, diode schottky (V_F assez faible) de clamp, est celle utilisée dans les entrées des composants électroniques, c'est pour ça que c'est celle là que j'ai proposé plutôt que la zener. Un article de Analog Devices https://www.analog.com/en/analog-dia...rotection.html qui parle justement de cette solution et de ce qu'on parle ici. Sache aussi que certain AOP intègre les protections overvolage, un exemple ici https://www.analog.com/media/en/tech...7-2_4177-4.pdf (page 26, figure 87 en bas de la page à droite).

Tu noteras que dans ma proposition #2 il n'y a pas la résistance R_OVP, contrairement au schéma de Analog Devices, parce que tu as un pont diviseur.

- Je vois qu'il y a une tenue en tension inverse sur les schottky, si je ne me trompe pas pour la diode qui va sur le Vcc, on aura au max 3V3 (la tension d'alim) et pour la schottky à la masse ce sera les 3V3 + le Vf de la diode reliée au Vcc (cas ou on se trouve en surtension positive et que la diode supérieure est en action) ?

Oui c'est ça, dans mon schéma ci dessous, le V_R de D3 sera limité par D2 à 3.3V + V_{F D2}.
D3, elle, va clamper à -V_F au cas où le signal d'entrée serait un trop négatif (ça n'arrivera peut être jamais dans ton application, je ne sais pas)

[trendkiller]

Salut,

Oui j'en avais connaissance j'ai déjà vu ces diodes un paquet de fois dans les schémas internes de composants. Mais le composant qui est attaqué, un TLV9062 ne montre pas explicitement ces diodes.
J'avais bien compris pour la résistance série du pont diviseur.
On est d'accord sur les tenues en tension inverse.

Merci beaucoup pour cette aide !