Ich habe immer gedacht, dass die absoluten Maximalwerte für ein Teil die Grenzwerte sind, die Sie nicht überschreiten dürfen. Zeitraum. Ende der Geschichte.

Ein anderer Ingenieur stellt jedoch fest, dass es in Ordnung ist, den absoluten Maximalwert für die Eingangsspannung an einem Mikrocontroller-E / A-Pin zu überschreiten. Insbesondere möchte er 5 V (Strombegrenzung auf 30 uA) an ein Mikro mit einer absoluten Maximalspannung von 3,8 V (Vdd + 0,3 V <= 3,9 V) anlegen. Das Argument, das die Klemmdioden sind, kümmert sich um die Überspannung.

Ich konnte im Datenblatt nichts über die E / A-Hardware auf dem Mikro finden.

Wann ist es in Ordnung, die absolute Maximalbewertung für ein Teil zu überschreiten?

Datenblatt

Benutzerhandbuch

Es ist niemals sicher , die maximalen Bewertungen zu überschreiten. Sogar der Betrieb an einem Punkt innerhalb der Nennwerte kann zu Fehlern führen, wenn beispielsweise der Herstellungsprozess von den Spezifikationen abweicht (ich habe Leistungstransistoren in einem Prototyp-Durchlauftest ausfallen lassen, und der Hersteller gibt einen Fehler zu).

Je weiter Sie von der „sicheren“ Region entfernt sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Ausfalls. Vielleicht Sekunden, vielleicht Monate - im Allgemeinen wird die Analyse nicht existieren. In seltenen Fällen (und manchmal häufiger, wenn Geräte ausgereifter werden) lockert ein Hersteller möglicherweise einige der maximalen Bewertungen - insbesondere Bewertungen, die sich auf zeitlich begrenzte Belastungen beziehen.

In dem von Ihnen angegebenen Fall haben Sie festgestellt, dass es sich bei den absoluten Maximalbewertungen wahrscheinlich um eine Annäherung handelt. Sein plausibel , dass Strom mit einem hohen Antrieb Impedanz an den Stiften recht zuverlässig die Durchbruchspannungen ohne Überschreitung akzeptiert werden kann (und wohl nicht überschreiten Sie nicht die Bewertung wie diese, da der Stift klemmt). Zusätzlich besteht die Gefahr eines Latch-Ups, wenn unerwartete Teile des Siliziums mit unterschiedlichen Spannungszuständen leiten.$\mu A$

Erwarten Sie nicht, dass dies bei 100.000 Teilen funktioniert, die eine Lebensdauer von 10 Jahren haben. Wenn Sie mit dem gelegentlichen katastrophalen Ausfall leben können, ist möglicherweise das Design noch angemessen. Wenn es sich um einen Debug-Port für ein 5-Dollar-Produkt mit einer Lebensdauer von 6 Monaten handelt, ist dies sinnvoller.

Das Überschreiten der absoluten Maximalwerte ist eine schlechte Idee.

In einigen sehr begrenzten Fällen kann es das Risiko wert sein, etwas vorsichtig über die Grenzen zu schieben. Dies kann einmalig vorkommen, wenn Sie beispielsweise wissen, dass die Temperatur immer unter 25 ° C liegt und Sie der Meinung sind, dass Sie möglicherweise etwas anderes verletzen können. Dies kann auch auf Situationen vom Typ McGyver zutreffen, in denen Sie entweder nichts oder etwas anderes haben könnte zu arbeiten.

Es ist nicht in Ordnung, in einem Produktionsdesign Grenzen zu überschreiten.

In Ihrem speziellen Fall gibt es wahrscheinlich zwei Grenzen, die maximale Spannung an einem Pin und den maximalen Strom in diesem Pin. Sie legen nicht wirklich 5 V an, wenn dies auf 30 µA begrenzt ist. Mit nur 30 µA durch die Schutzdiode ist es möglich, dass die maximale Spannung tatsächlich nicht überschritten wird. Lesen Sie das Datenblatt sorgfältig durch.

Ich bin einmal auf eine App-Notiz von Atmel gestoßen (nicht TI, ich weiß - immer noch interessant), die eine solche Konstruktion gutheißt ... Für die Nulldurchgangssuche am Stromnetz!

Um das Gerät vor Spannungen über VCC und unter GND zu schützen, verfügt der AVR über interne Klemmdioden an den E / A-Pins (siehe Abbildung -1). Die Dioden sind von den Pins an VCC und GND angeschlossen und halten alle Eingangssignale innerhalb der Betriebsspannung des AVR (siehe Abbildung unten). Jede höhere Spannung als VCC + 0,5 V wird auf VCC + 0,5 V (0,5 V ist der Spannungsabfall über der Diode) und jede Spannung unter GND - 0,5 V wird auf GND - 0,5 V herabgesetzt.

...

Der Serieneingangswiderstand ist ein 1MΩ-Widerstand. Es wird nicht empfohlen, dass die Klemmdioden mehr als maximal 1 mA leiten, und 1 MΩ ermöglicht dann eine maximale Spannung von ungefähr 1.000 V.

Anscheinend hält Atmel es also für in Ordnung, die Klemmdioden auf ihren MCUs auf diese Weise zu verwenden, bis zu 1 mA. (Obwohl Sie über die Autorität von App Notes streiten können)

Ich persönlich bin mir immer noch nicht ganz sicher, was ich davon halten soll. Auf der einen Seite, wenn Atmel angibt, dass es in Ordnung ist, bis zu 1 mA über die Klemmdioden zu speisen / abzusenken, sehe ich kein Problem, wenn Sie sich gut von diesem Strom fernhalten (und 30 µA würden sich sicherlich dafür qualifizieren). Auf diese Weise überschreiten Sie die Spannungsspezifikationen nicht. die Dioden klemmen es schließlich fest.

Auf der anderen Seite ist es in Ordnung , die Klemmdioden wie diese zu benutzen? Ich habe in den Datenblättern nie etwas über das Klemmen des Diodenstroms gefunden, daher ist die einzige Quelle dafür ein App-Hinweis.

Sie können also versuchen, eine Dokumentation von TI zu finden, in der der maximale Strom durch die Klemmdioden angegeben ist. Vielleicht haben sie auch Informationen in ihren Datenblättern oder App Notes, die diese Verwendungen erlauben oder verbieten.

Wenn Sie jedoch auf Nummer sicher gehen möchten, sollten Sie Ihre eigenen Klemmdioden hinzufügen, vorzugsweise solche mit niedriger Vf, dh Schottkys. Oder verwenden Sie einen einfachen Spannungsteiler. Auf diese Weise müssen Sie sich keine Sorgen machen, ob Sie gegen die Spezifikationen verstoßen oder nicht.

Update, August 2019

Als ich in dieser Antwort auf die App-Notiz stieß, machte ich gerade ein Hobbyprojekt, in dem ich dieses Konstrukt für die Nulldurchgangssensorik am Netz verwendete. (Weitere Details, einschließlich eines Schaltplans, finden Sie in dieser Frage ; es ist R8 / R9).

Die Schaltung verbindet 230 VAC über 2 MΩ direkt mit PB3 auf einem ATTiny85, wobei über die ESD-Dioden ein Spitzenwert von ca. 58 µA RMS / 163 µA angelegt wird. Ich bin mir immer noch nicht ganz sicher, wie ich mich dabei fühlen soll. Meine Motivation dafür war, dass das Projekt teilweise eine Übung im Minimalismus war ; Mal sehen, wie weit ich die Strecke verkleinern könnte und es trotzdem gut funktionieren lässt.

Unabhängig von den Gefühlen funktioniert die MCU drei Jahre später noch einwandfrei.

Machen Sie daraus, was Sie wollen ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

In Bezug auf das Überschreiten der absoluten Maximalbewertung im Allgemeinen denke ich, dass die anderen Antworten dies abgedeckt haben (dh es nicht tun).

Bezüglich der absoluten maximalen Spannung eines I / O-Pins ist es etwas komplexer, dass er auf der Oberfläche erscheint. In dem (üblichen) Fall, dass die E / A interne Schutzdioden für VCC und GND haben, müssen Sie zwei absolute Maximalwerte berücksichtigen: die absolute maximale Spannung und den absoluten maximalen Einspeisungsstrom. Wenn Sie die absoluten Maximalspannungen nicht überschreiten, ist alles in Ordnung. Wenn Ihr Eingang jedoch auf einen Strom begrenzt ist, der unter dem absoluten maximalen Einspeisungsstrom liegt (z. B. mit einem Widerstand),sollte ok sein :)). Ein ausgezeichneter Anwendungshinweis, der dies beschreibt, lautet: http://www.nxp.com/assets/documents/data/en/application-notes/AN4731.pdf

Speziell für das von Ihnen aufgeführte Gerät konnte ich keine Werte für den absoluten maximalen Injektionsstrom finden.

In Situationen wie diesen, in denen Sie sich den Grenzwerten nähern und / oder die von Ihnen benötigten Daten nicht finden, würde ich immer empfehlen, sich direkt an den Hersteller zu wenden und das Problem mit einem seiner Anwendungstechniker zu besprechen (keine Angst) Wenn man sich an Hersteller wendet, helfen sie normalerweise sehr gerne!)

Obwohl es wahr sein mag, was der Ingenieur denkt, ist es sicherlich nicht weise.

Klemmdioden sind für unvorhergesehene Situationen. Sie sind NICHT dazu gedacht, Unwissenheit und schlampige Designs zu kompensieren. Auf diese Weise werden alle Sicherheitsabstände aufgehoben. Ein wenig schlechter in der Toleranz von Design, Hersteller oder was auch immer Grund und Design scheitert. Wenn ein Techniker in eine solche Situation gerät, ohne den Hintergrund zu kennen, kann er viel Zeit verschwenden, um herauszufinden, was passiert.

Halten Sie sich daher nicht an die Spezifikationen.

Da dies in anderen Antworten nicht erwähnt wurde, kann das Überschreiten der Maximalwerte für einen Pin eines Mikrocontrollers auch zu folgenden Ergebnissen führen:

• Wenn es angewendet wird, bevor der Mikrocontroller hochfährt (sogar in Mikrosekunden), kann es dazu kommen, dass der Mikrocontroller einrastet und katastrophal ausfällt.

• Wenn der Strom angelegt wird, während das Mikro vollständig ausgeschaltet oder abgeschaltet ist, fließt dieser Strom über die Schutzdioden in die Stromschienen. Dadurch wird es mit Strom versorgt oder verhindert, dass es vollständig ausgeschaltet wird.

Dave Jones von EEBlog hat ein schönes Video , das dieses Verhalten demonstriert.

Ω Die sicherere Lösung besteht darin, eine TVS-Diode einzusetzen, um Überspannungen zu begrenzen, anstatt vom effektiven Serienwiderstand der Geräteableitung abzuhängen. Die Serie R begrenzt den Strom und solange dieser Strom sicher und kontinuierlich ist, sollte er in Ordnung sein. Aber IF kapazitive Kopplung und ESD - Schutz beeinträchtigt sind, ist eine niedrige Z Klemm TVS Klemmdiode besten (3.6V TVS) auf Vcc.

Diese Antwort verwendet möglicherweise das Ohmsche Gesetz mit einigen vernünftigen Schätzungen und nicht genauen Werten.

Die Wahrscheinlichkeit eines Versagens oder der Kindersterblichkeit steigt stark an, wenn ABSOLUTE MAX überschritten wird.

MTBF kann von Jahrzehnten bis zu Mikrosekunden reichen, abhängig von dem Parameter und der überschüssigen Menge.

• So wird der Schnittstellenstrom begrenzt und vor elektrostatischer Entladung geschützt.

ESD Klemmdioden, wie alle Dioden sind für bestimmten Spannungsabfall, bewertet Vf an einem gewissen Nennstrom, wenn und häufig in zwei Stufen mit einem Serienstrombegrenzungswiderstand sind dazwischen abzuschwächen 3kV Spikes auf weniger als 0,5 V oder kleiner als die Vgs Schwelle der CMOS. Diese ESD-Dioden sind aufgrund der geringen Sperrschichtgröße normalerweise auf 5 mA Gleichstrom begrenzt, um eine kleine Sperrschichtkapazität von 1 pF für ein schnelles Ansprechen der Schnittstelle und auch ein schnelles Ansprechen der Diode zu erhalten.

Angenommen, der ESD-Schutz bei einer Standardentladung von 100 pF beträgt 1 kV bei 5 mA. Alle Dioden verfügen über einen internen ESR, der der W-Leistung entgegengesetzt ist.

Wir können den Spannungsabfall an der 1. Diode und den Spannungsabfall an der für ESD-Dioden typischen Stromgrenze von 5 mA abschätzen. Wenn wir Vf = 1 V schätzen, sehen wir, dass es sich um eine 5 mW-Diode (5 mA * 1 V) mit einem geschätzten ESR von 1 / (5 mW) = 200 Ohm handeln könnte.

1 kV ESD über 200 Ohm würde jedoch eine 5 V-Spitze an der ersten Diode verursachen.

Wir brauchen also eine 2. Diode mit geschätzten 10K in Reihe. Jetzt beträgt die ESD-Spitze 5 V / 10 k = 0,5 V, was gerade genug ist, um unter dem Vgs-Unterschwellen-Triggerpegel der CMOS-Gatter zu liegen.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Ist 30 uA in diesem Zusammenhang klein?

Wie wäre es damit, die Verlustleistung in der Klemmdiode zu berechnen, durch das Diodenvolumen zu dividieren (dh die Geometriegröße nachzuschlagen) und dann zu sehen, wie schnell sich das Silizium in der Diode aufheizt, wenn dieses Spitzenspannungsniveau angelegt wird - bei welcher Temperatur es erreichen? Wird es schmelzen?

Dies sind einfache, vernünftige Berechnungen, die Sie durchführen können, um die tatsächlichen Ladungen in den Griff zu bekommen und sie mit Ihrem Kollegen zu erkunden . Wenn Sie die thermischen Effekte, die Spannungsbelastung, das dV / dt aus der Streukapazität (1) und dergleichen abdecken können, haben Sie möglicherweise einen Entwurf.

Aber ich vermute, Sie werden feststellen, dass mindestens ein Problem die Ambitionen vereiteln wird (vielleicht sind sie deshalb abs max limits ;-).

(1) Bei der betreffenden Streukapazität handelt es sich um diejenige, die den Stromgrenzwiderstand überspannt, der über diese kleine Schutzdiode entladen wird, und möglicherweise nicht genügend Wärmekapazität aufweist, zumal auf sie eine konstante Gleichstromlast folgt, selbst wenn sie überlebt .

Bei den meisten Microchip PIC-Geräten funktioniert dies und liegt auch innerhalb der Spezifikation. Der Strombegrenzer (30µA) arbeitet als Spannungsteiler.

Manchmal, wenn es in Ordnung ist, dass das, was Sie machen, bei der ersten Verwendung abbricht, ist Ihnen die Bewertung weniger wichtig. Angenommen, Sie möchten eine Steuerung herstellen, die ein Magnetventil ansteuert, das ein Gas aus einem Kolben abgibt. Es wird nutzlos sein, wenn das Gas freigesetzt wird. In diesem Fall können Sie das Magnetventil nur mit einem Transistor ansteuern. Wenn es ausgeschaltet ist, bricht es und lässt Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen. Aber es ist in Ordnung, weil das Gerät nicht mehr benötigt wird.

Vielleicht handelt es sich nicht ausschließlich um Elektronik, sondern um einen Pyro-Zünder. Ein Stück Chromkabel und eine 12-V-Autobatterie. Die Leute von der Hobbyrakete tun dies die ganze Zeit, um ihre Motoren abzustellen.

Eine Sicherung ist insofern ähnlich, als ihre Nennkapazität darauf ausgelegt ist, (auf sichere Weise) durchbrochen zu werden.