Protection d'I/O du STM32G431

[davidif]

Bonjour, sur un circuit très petit (40/50 mm) dont je viens de finir le routage, je dois extérioriser sur un petit connecteur quelques I/O (x4) + 1 entrée CAN.

Et histoire de rajouter le minimum de composants supplémentaires, j'ai tout d'abord souhaité garder le choix des configurations en entrée ou sortie pour chacune des I/O présente sur mon connecteur de sortie tout en les protégeant, sachant que les niveau de tensions d'entrée serait de 5vdc et de sortie niveau VDD (3,3V), sachant également que je n'ai que du 3,3V de disponible.

J'ai pensé à des buffer bidirectionnel, mais ils demandent du 5Vdc en alimentation, ce qui aurait pu être intéressant si j'avais le 5V.
Des mosfets, augmente le nombre de composants pour faire du bidirectionnelle et me serait au mieux contenter en unidirectionnel ?...

Du coup, sauf erreur, les config de protections n'étant pas les mêmes en sortie qu'en entrée ou sensiblement différents je vais devoir attribuer d'office 2 entrées et 2 sorties comme tel :

Entrée 5Vdc, je fais un pont diviseur pour avoir du 3,3 sur l'I/O protéger par une zener 3,6V(ou TVS) + SChoktly + R de 200 Ohm.
En sortie là je sais pas trop la protection à mettre étant donnée la configuration voir peut-être sur des risques d'injection de tension ... avec une schokly sur le VDD et(ou) GND...

Que me conseilleriez vous ? sur un faible encombrement.
Merci pour votre temps accorder
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[davidif]

Ha oui j'oubliais , aussi les fréquences sont petite, de lors d'une dizaine de kilo Hertz, max 40K

[davidif]

Dans l'idée, quelque chose comme ça pour les entrées


Puis je sortirai directement les sorties du proc

[antek]

Vérifier si le CAN n'aurait pas besoin d'un suiveur pour . . . suivre les variations de tension.

[A voir en vidéo sur Futura]

[davidif]

Vérifier si le CAN n'aurait pas besoin d'un suiveur pour . . . suivre les variations de tension.

OUI je sais bien, au mieux une adaptation avec ampli en élargissant la gamme de tension aurait été un plus mais je vais pas pouvoir mettre d'ampli au vu de la place restante, ce sera à faire à l'extérieur si nécessaire, la question est surtout sur la sécurité des I/O du processeur, si elles sont suffisant ?

[Antoane]

Bonjour,

CAN = ADC, j'imagine, et non bus CAN?

Quel courant doivent pouvoir délivrer les sorties, quelle est l'impédance de sortie max acceptable ?

La solution simple, valide en entrée (si le débit de données n'est pas "trop grand") comme en sortie (si le courant de sortie n'est pas "trop grand"), c'est la résistance série, avec clamping au Vcc, et si besoin limitation de la tension Vcc.
Avec ca, il n#y a typiquement pas besoin de pont diviseur.

On peut ajouter des filtres et des TVS.

Les zeners et les TVS on un courant de fuite, et sont des composants très non linéaires. A priori pas une très bonne solution d'en placer une ainsi en entrée d'ADC, même si l'impédance de source n'est(ais) que de 100Ohm.

Si un buffer n'est pas possible, une capa en entrée de l'ADC aiderait dèjà beaucoup pour fournir les cahregs absorbés pas le S&H.

[davidif]

Bonjour,

CAN = ADC, j'imagine, et non bus CAN?

Oui effectivement

Bonjour,
Quel courant doivent pouvoir délivrer les sorties, quelle est l'impédance de sortie max acceptable ?

C'est juste des sorties logique, pas de courant important derrière ont devra être une haute impédance.

La solution simple, valide en entrée (si le débit de données n'est pas "trop grand") comme en sortie (si le courant de sortie n'est pas "trop grand"), c'est la résistance série, avec clamping au Vcc, et si besoin limitation de la tension Vcc.
Avec ca, il n#y a typiquement pas besoin de pont diviseur.

Pardon, je comprend pas ?
Oui le debit n'est pas important, en dessous de 10K, typique 2K
On reste en tension, peu de courant
Mais dans la mesure ou l'on rentre une tension de 5V, je dois l'abaisser à 3,3V tension des I/O ? c'est pour cette raison que je fais le pont diviseur ...

On peut ajouter des filtres et des TVS.

filtre, je vais pas pouvoir, mais TVS j'ai pris la CPDQC3V3T-HF qui semblait bien.

Les zeners et les TVS on un courant de fuite, et sont des composants très non linéaires. A priori pas une très bonne solution d'en placer une ainsi en entrée d'ADC, même si l'impédance de source n'est(ais) que de 100Ohm.

Si un buffer n'est pas possible, une capa en entrée de l'ADC aiderait dèjà beaucoup pour fournir les cahregs absorbés pas le S&H.

Ha ok, pas de zener ou TVS sur l'ADC .. ok
Une capa suffit ?.... mais de combien ?

[davidif]

En fait pour le moment j'ai protégé juste les entrées logiques avec la TVS + 100 Ohm, si une tension trop forte est injecter
Dans la mesure ou je ne tire pas de courant important sur les sorties logiques je me suis mis en direct ... mais après je suppose qu'il faut prendre en compte les ESD d'ou la nécessité des TVS.

[Antoane]

Bonjour,

Pour un gpio numérique, ca pourrait être :
connecteur - (pull-down) - resistance série - TVS - resistance série - GPIO.
On pourrait aussi avoir une schotkky entre le GPIO et le Vcc, et une autre entre le GPIO et le GND.
La résistance totale est à définir en particulier en fonction de la capacité parasite de la ligne et du debit (en bit/s, en Hz ou en kelvin, comme tu préfères )
Plus de résistance = plus de protection, mais plus de ralentissement des transitoires.

Note aussi qu'il y aura injection de charge sur le DC-link s'il n'y a sur-tension sur le GPIO. Si la consommation du montage n'est pas suffisante, cela peut se traduire par une augmentation de la tension sur ce DC-link - une prptection peut être utile.


Pour l'ADC, ca pourrait être :
connecteur - (pull-down si elle n'influence pas la tension) - TVS - resistance série - capa entre input et GND - ADC.
La capacité C doit contenir une charge suffisament grande pour que la charge absorbée par l'adc lors du S&H entraine une chute de tension <1LSB. typiquement : C > 2^n * Csamp, ou Csamp est la capacité du S&H (typ. autour de qq pF). Préférer une capacité de qualité (linéaire) : C0G/NPO ou plastique... on parle typquemet de 10 nF ou 100 nF

[davidif]

Merci pour tes recommandation Antoane,

Bonjour,

Pour un gpio numérique, ca pourrait être :
connecteur - (pull-down) - resistance série - TVS - resistance série - GPIO.
On pourrait aussi avoir une schotkky entre le GPIO et le Vcc, et une autre entre le GPIO et le GND.
La résistance totale est à définir en particulier en fonction de la capacité parasite de la ligne et du debit (en bit/s, en Hz ou en kelvin, comme tu préfères )
Plus de résistance = plus de protection, mais plus de ralentissement des transitoires.

Note aussi qu'il y aura injection de charge sur le DC-link s'il n'y a sur-tension sur le GPIO. Si la consommation du montage n'est pas suffisante, cela peut se traduire par une augmentation de la tension sur ce DC-link - une prptection peut être utile.

Effectivement, dans l'idée c'était ce que je souhaitai faire, notamment les schotkly sur le VDD et l'autre au GND.

Quand tu dis : connecteur - (pull-down) - resistance série - TVS - resistance série - GPIO.
avant le connecteur --> "pull-down" une résistance à la masse je suppose, puis une résistance série- TVS- autre résistance série- GPIO ?

Considérant une entrée sous 5Vdc, je dois bien abaisser à 3,3Vdc ...

je peux faire cette même configue sur les GPIO, aussi bien en entrée qu'en sortie selon toi ?

Pour l'ADC, ca pourrait être :
connecteur - (pull-down si elle n'influence pas la tension) - TVS - resistance série - capa entre input et GND - ADC.
La capacité C doit contenir une charge suffisament grande pour que la charge absorbée par l'adc lors du S&H entraine une chute de tension <1LSB. typiquement : C > 2^n * Csamp, ou Csamp est la capacité du S&H (typ. autour de qq pF). Préférer une capacité de qualité (linéaire) : C0G/NPO ou plastique... on parle typquemet de 10 nF ou 100 nF

Mais apparemment ce n'est pas recommandé la TVS sur une entrée ADC ? car non linéaire ?....

[Antoane]

Bonjour,

Quand tu dis : connecteur - (pull-down) - resistance série - TVS - resistance série - GPIO.
avant le connecteur --> "pull-down" une résistance à la masse je suppose, puis une résistance série- TVS- autre résistance série- GPIO ?

Oui.

Considérant une entrée sous 5Vdc, je dois bien abaisser à 3,3Vdc ...

Plus ou moins...
Avec le circuit ci-dessous, si tu envoies plus de 3,3V + Vf (Vf la tension directe de la schottky) en entrée du montage, alors la diode deviendra passante et limitera la tension en entrée du GPIO à Vcc+Vf, protégeant le MCU. Sand la schottky, les diodes ESD internes au MCU feront le même job -- mais c'est moins recomandé, en général et sur certains IC en particulier.

je peux faire cette même configue sur les GPIO, aussi bien en entrée qu'en sortie selon toi ?

yep

Mais apparemment ce n'est pas recommandé la TVS sur une entrée ADC ? car non linéaire ?....

Le problème est quand leur courant de fuite entraine une chute de tension dans l'impédance de source du "truc" délivrant la tension. Dans ce cas, il y a un "pont divieur" non linéaire entre l'impédance de source et la TVS (et la résistance de pull-down si elle existe).
C'est pourquoi dans mon message précédent, je n'ai pas mis de résistance série directement en entrée de la carte pour l'entrée AN.

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Si je comprends bien tu veux une protection ESD parce que des I/O (numérique ou analogique) seront déportées ?

Si c'est ça alors il y a plusieurs considérations avec ta TVS, comme l'a dit Antoane => https://www.mouser.fr/datasheet/2/80...8-2505324.pdf:

• Avec une résistance d'entrée de 10k, le courant de fuite de la TVS qui passera au travers créera une chute de tension, la TVS clampera la surtension mais avec moins de courant donc la tension de clamp s'approchera du "Breakdown voltage" ~4.1V
• Sans résistance d'entrée, le courant de fuite n'aura pas vraiment d'influence, la TVS clampera la surtension mais avec un fort courant donc la tension de clamp s'approchera plutôt du "Clamping voltage" ~6V

Les questions à se poser sont :
Il se passe quoi pour les I/O avec 4.1V ou 6V ?
La chute de tension causé par le courant de fuite est elle gênante ou pas ?
Si on place un zener à la place de la TVS, est ce que le bruit est gênant ?

Une autre solution consiste a prendre ce genre d'arrangement https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpd2e2u06-q1.pdf.



Il s'agit des classiques diode de clamp qui sont protégées par une TVS, c'est différent de ton montage. Ici la TVS protège les rails d'alim et les diodes l'entrée tandis que dans ton montage la TVS protège l'entrée.