62. Защита выводов

Вывод микроконтроллера — тонкая штука. Внутри он рассчитан на диапазон от нуля до питания, и всё, что выходит за эти границы, идёт через встроенные диоды в кристалл. Диоды есть, они работают — но у них очень маленький допустимый ток, и об этом узнают обычно после того, как плата перестала отвечать.

Раздел про то, где проходят границы, чем ограничить внешний мир на входе и почему встроенной защиты от статики не хватает.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
absolute maximum ratings	предельно допустимые режимы
injected current (IINJ)	ток инжекции, ток через встроенный диод
five-volt tolerant (FT)	толерантный к пяти вольтам
clamping diode	ограничительный диод
ESD, human body model (HBM)	статический разряд, модель человеческого тела
contact discharge	контактный разряд
TVS, transient voltage suppressor	ограничитель импульсных напряжений
stand-off voltage	рабочее напряжение ограничителя
latch-up	защёлкивание
level shifter	преобразователь уровней
VIH / VIL	порог единицы / порог нуля

62.1 Где проходят границы

Предельные режимы — это не «рекомендуется», а «за этим кристалл деградирует», и деградирует он молча: сначала растёт ток утечки, потом вывод перестаёт читать вход. Числа раздела — для F103; у других семейств они свои (раздел 49.7), и считают всегда по описанию своего камня.

Два наблюдения, которые стоит запомнить.

Первое: запас над рабочим питанием всего 0,4 В. Выброс на шине питания в полвольта — уже за пределом.

Второе: отрицательное напряжение опаснее превышения. Минус 0,3 В — это меньше падения на обычном диоде, то есть почти любой отрицательный выброс уже нарушает режим. А отрицательные выбросы приходят от индуктивных нагрузок (раздел 52) и от длинных линий.

⚠️ Толерантность к пяти вольтам действует, только пока есть питание. Предел толерантного вывода — питание плюс 4 В: без питания это 4 В, и пять вольт на входе обесточенной платы его превышают. Так убивают камни при подключении к работающему прибору. У обычных выводов то же происходит через встроенный диод, который пытается запитать камень со входа.

62.2 Ток инжекции: главное число раздела

Когда напряжение на выводе выходит за питание, встроенный диод открывается и ограничивает вход на уровне 4,0 В (питание плюс падение). Ток при этом ограничен только внешней цепью — а допустим он мизерный:

То есть предельный ток инжекции можно допустить одновременно всего на пяти выводах. Отсюда вся практика защиты входов: диод внутри уже есть, ставить свой не нужно — нужно ограничить ток через тот, который есть. Делает это последовательный резистор.

Две оговорки к этим 5 мА — они стоят в таблице предельных режимов, а не рабочих. Отрицательный ток инжекции (вход ниже земли) у F103 по описанию заметно портит преобразование на других каналах АЦП, и на аналоговые входы, где он возможен, советуют ставить диод Шоттки на землю; положительный в пределах нормы точности АЦП не мешает. А положительный ток уходит через диод в шину VDD: если плата в этот момент берёт меньше (сон, микроамперы), линейный стабилизатор втекающий ток забрать не может, и VDD ползёт вверх. Поэтому постоянный ток через диод рассчитывают на доли миллиампера (62.3).

62.3 Последовательный резистор: расчёт

Резистор считается по превышению над уровнем ограничения:

R = (Uвнешнее − 4,0 В) / 5 мА

Один резистор закрывает обе полярности: при отрицательном выбросе ток идёт через нижний диод и ограничен тем же номиналом.

Такой номинал — минимум против случайного выброса. Если внешнее напряжение висит на входе постоянно — сигнал 24 В, поданный часами, — весь этот ток всё время течёт через диод в VDD (62.2). Тогда резистор считают на доли миллиампера: для 24 В 47 кОм дают 0,43 мА, 100 кОм — 0,20 мА, и вход становится только логическим и медленным (62.7). Для постоянного превышения удобнее делитель (62.4): он держит вход ниже питания, и диод вовсе не открывается.

⚠️ Расчёт годится только для обычных выводов. У вывода, толерантного к 5 В, диода к VDD нет — поэтому он и терпит 5 В, — и положительный ток инжекции в описании F103 не допускается вовсе: −5/+0 мА. Резистор здесь ничего не ограничит, и 12 В придут на вывод целиком — далеко за его предел VDD + 4 В. На такой вывод напряжение выше 5 В подают только через делитель (62.4) или с внешним ограничителем за резистором — стабилитроном или диодом Шоттки к 3,3 В.

Это самая дешёвая защита из существующих, и она закрывает большинство бытовых случаев: перепутанный провод, наводку с силовой линии, чужой логический уровень.

62.4 Делитель, когда напряжение надо ещё и измерить

Резистор ограничивает ток, но вход всё равно ограничен на 4 В — измерить им нельзя. Для измерения ставят делитель (раздел 50.2).

Для 24 В подходит 68 кОм / 10 кОм: на выходе 3,08 В — под самый верх шкалы АЦП, без превышения. Но делитель считают по верхней границе: если промышленные «24 В» доходят до 30 В, из них 68/10 дают 3,85 В — выше шкалы. Тогда берут 82 кОм / 10 кОм: из 30 В — 3,26 В, из 24 В — 2,61 В, сопротивление для АЦП — 8,9 кОм.

Платим за это дважды:

• сопротивление, которое видит АЦП, становится 8,7 кОм — это удлиняет выборку (раздел 14.2);
• делитель постоянно потребляет 0,31 мА, то есть 7,4 мВт. На сетевом питании это ничто, на батарейном — заметная часть бюджета.

Для пятивольтового логического сигнала на обычный (не толерантный) вывод хватает делителя 1,8 кОм / 3,3 кОм: получается 3,24 В, ниже предела обычного вывода.

62.5 Обратная задача: 3,3 В на пятивольтовый вход

Здесь ловушка, потому что «вниз» всё просто, а «вверх» — нет.

Даже 0,2 В нехватки — это ровно тот случай, когда «на столе работает, а в изделии нет»: порог плавает от температуры и экземпляра.

Варианты: взять приёмник с ТТЛ-входами, поставить преобразователь уровней или использовать вывод с открытым стоком с подтяжкой к пяти вольтам — если вывод толерантный.

62.6 Бюджет выходного тока

Ограничение есть не только на вход. У F103:

Суммарный предел жёстче поштучного: выводам остаётся 100 мА, и предельный ток можно снять лишь с четырёх выводов. Классический пример — восемь светодиодов по 20 мА: это 160 мА — больше всего предела даже без самого камня и на 60 % больше того, что остаётся выводам. Гореть будут, камень скорее всего выживет, но режим нарушен, и в жару это выяснится.

У других семейств числа свои: у F4 — те же 25 мА на вывод, но 240 мА через питание, у G4 — 20 мА на вывод и 100 мА на все выводы (раздел 49.7).

Правильные решения: снизить ток до 5–7 мА (современные светодиоды при этом светят достаточно), поставить драйвер или перейти на динамическую индикацию (раздел 57.4).

62.7 RC-фильтр на входе

Резистор защиты и конденсатор дают заодно фильтр. Классические 10 кОм и 100 нФ:

Дребезг механического контакта такой фильтр сглаживает. Но обратите внимание на цену: вход стал медленным, и это надо считать.

Десять килоом на линии интерфейса — уже потолок в мегагерц. Поэтому на кнопке ставят 10 кОм, а на сигнальной линии — 100…330 Ом.

62.8 Статика: почему встроенной защиты не хватает

Микросхему испытывают на разряд по модели человеческого тела, и в паспорте стоит соответствующая цифра. В поле разряд приходит другой.

Разница: в 24 раза по энергии и в 18 раз по току. Встроенная защита на такое не рассчитана и не обязана быть рассчитана — она защищает кристалл при монтаже, а не изделие в эксплуатации.

Вывод простой: всё, что выходит наружу корпуса, защищают отдельно — разъёмы, кнопки на панели, провода к датчикам. Внутренние линии между микросхемами на одной плате в этом не нуждаются.

62.9 Внешний ограничитель: чем платим

Рабочее напряжение ограничителя — то, до которого у него нормирована малая утечка. Его берут не ниже наибольшего напряжения линии: для линии 3,3 В — элемент на 3,3–3,6 В или на 5 В, для линии 5 В — на 5 В и выше. Ниже нельзя: элемент начнёт подтекать на рабочем напряжении и портить сигнал, а на входе АЦП — искажать показания; с запасом можно, но он и ограничит позже.

И главное: при разряде на ограничителе остаётся его напряжение ограничения при токе импульса — оно выше пробоя (173.3), а пробой выше рабочего. У ограничителя из модели 173.3 динамическое сопротивление 0,35 Ом, и пик контактного разряда 24,2 А (62.8) добавит к пробою 0,35 · 24,2 ≈ 8,5 В — в разы больше того, что терпит вывод (62.1). Поэтому ограничитель ставят у разъёма, за ним — резистор в десятки или сотни ом, и только потом вывод: остаток тока, уже ограниченный резистором, берёт встроенный диод.

Вторая характеристика — ёмкость, и на быстрых линиях она решает всё. При длительности бита 83,3 нс (12 Мбит/с) и сопротивлении линии 45 Ом:

Пять процентов фронта — это уже видно на глазок и тем более на приборе. Мощный ограничитель ставят на питание и на медленные линии, а на интерфейсные — специально малоёмкостный.

Там, где помеха приходит не разрядом, а по линии связи с большим перепадом потенциалов, резистор с ограничителем не помогут вовсе — нужна гальваническая развязка (раздел 54).

62.10 Конфликт защиты с измерением

Защитный резистор на аналоговом входе складывается с сопротивлением источника и удлиняет выборку АЦП (раздел 14.2):

Делитель из 62.4 даёт 363 нс — приемлемо. А вот 100 кОм на быстром измерении уже неприемлемы: либо задавать долгое время выборки, либо ставить повторитель после защиты (раздел 56.1) — он и развяжет, и позволит держать резистор большим.

62.11 Неиспользуемые выводы

Аналоговый режим всё равно лучше: он отключает входной триггер, и вывод не реагирует на наводки. Подтяжка обходится дорого, только если вывод на плате соединён с тем, что держит противоположный уровень: тогда это 3,3 В / 40 кОм = 82 мкА на вывод, а двадцать таких выводов на батарейном питании — уже часы работы.

Плавающий вход — не только потребление. Входной каскад в неопределённом состоянии переключается от наводок, и это выглядит как случайные сбои, которые «не воспроизводятся».

62.12 Грабли

Камень умер после подключения к прибору. Пять вольт пришли на обесточенную плату: толерантность работает только при поданном питании.

Вход читает 4 В вместо 10. Так и должно быть: встроенный диод ограничил. Для измерения нужен делитель, а не резистор.

Плата работает, но вывод «подсел». Превышен ток инжекции; кристалл деградировал, вывод придётся считать потерянным.

Связь с пятивольтовой микросхемой через раз. Её порог единицы 3,5 В, а выход даёт 3,3.

Восемь светодиодов греют камень. Превышен суммарный бюджет: у F103 через питание идёт не больше 150 мА, и это вместе с потреблением самого камня.

Кнопка с фильтром 10 кОм + 100 нФ «не нажимается». Опрос происходит быстрее, чем вход доходит до порога — фильтру нужно 1,2 мс.

Интерфейс не работает после установки защиты. Резистор 10 кОм ограничил линию мегагерцем; на сигнальных линиях ставят сотни ом.

Фронт USB испортился после установки ограничителя. Ёмкость: нужен малоёмкостный.

АЦП «тормозит» после установки защиты. Резистор удлинил выборку; поставить повторитель или увеличить время выборки.

Случайные сбои на плате без причины. Неиспользуемые выводы оставлены плавающими.

Устройство ломается от статики при живой плате. Наружные линии защищены только встроенными структурами — они на это не рассчитаны.

62.13 Итоги

• Рабочий диапазон вывода — от −0,3 В до питания плюс 0,3 В; толерантный терпит 5,5 В, но только пока подано питание.
• Ток инжекции — 5 мА на вывод и 25 мА суммарно; защита сводится к ограничению тока через уже имеющийся диод.
• Резистор считают как превышение над 4,0 В, делённое на 5 мА: 1,5 кОм для 10 В, 4,7 кОм для 24 В — только для обычных выводов: у толерантного диода к VDD нет, и положительный ток инжекции не допускается.
• Для измерения нужен делитель: 68 к / 10 к даёт из 24 В ровно 3,08 В ценой 8,7 кОм источника и 7,4 мВт потребления.
• Вверх по уровню сигнал не идёт: пятивольтовой КМОП-логике не хватает 0,2 В, ТТЛ-входам хватает с запасом 1,3 В.
• Суммарный бюджет жёстче поштучных 25 мА: у F103 через питание идёт 150 мА вместе с камнем, выводам остаётся около 100, и восемь светодиодов по 20 мА превышают это на 60 %.
• Фильтр 10 кОм и 100 нФ даёт 1,2 мс до порога и ограничивает линию 1,1 МГц — на сигнальных линиях так нельзя.
• Контактный разряд несёт в 24 раза больше энергии, чем модель, по которой испытан кристалл: наружные линии защищают отдельно, а ограничитель выбирают по рабочему напряжению, напряжению ограничения и ёмкости, а между ним и выводом ставят резистор.
• Незадействованные выводы переводят в аналоговый вход.

Дальше: часть IX, раздел 63 «Как текст становится программой; системы счисления» — от электроники к языку, на котором всё это описывают.