Siempre he pensado que las calificaciones máximas absolutas de una parte son los límites que no deberás violar. Período. Fin de la historia.

Sin embargo, otro ingeniero está argumentando que está bien exceder la clasificación máxima absoluta para el voltaje de entrada en un pin de E / S del microcontrolador. Específicamente, quiere aplicar 5v, corriente limitada a 30uA, a un micro con un voltaje máximo absoluto de 3.8v (Vdd + 0.3V <= 3.9V). El argumento es que los diodos de sujeción se encargarán del exceso de voltaje.

No pude encontrar nada en la hoja de datos sobre el hardware de E / S en el micro.

¿Cuándo está bien exceder la calificación máxima absoluta en una parte?

Ficha de datos

Guía del usuario

Nunca es seguro superar las clasificaciones máximas. Incluso operar en un punto dentro de las clasificaciones puede resultar en fallas si, por ejemplo, el proceso de fabricación se ha desviado de las especificaciones (he tenido fallas en los transistores de potencia en una prueba de prueba de remojo del prototipo y el fabricante admite una falla).

Cuanto más lejos de la región "segura" opere, mayores serán las posibilidades de falla temprana. Tal vez segundos, tal vez meses, generalmente el análisis no existirá. En raras ocasiones, (y a veces con mayor frecuencia a medida que los dispositivos se vuelven más maduros), un fabricante puede relajar algunas de las clasificaciones máximas, en particular las clasificaciones relacionadas con tensiones de tiempo limitado.

En el caso que especifique, ha identificado que las clasificaciones máximas absolutas son probablemente una aproximación. Es plausible que las corrientes con una alta impedancia de accionamiento puedan aceptarse en los pines de manera bastante confiable sin exceder los voltajes de ruptura (y posiblemente no exceda la clasificación de esta manera, ya que el pin se sujetará). También existe el riesgo de enganche si partes inesperadas del silicio se conducen con varios estados de voltaje.$\mu A$

No espere que esto funcione en 100,000 partes que tienen una vida útil de 10 años. Si puede vivir con la falla catastrófica ocasional, tal vez el diseño aún sea razonable. Si es un puerto de depuración en un producto de $ 5 con una vida útil de 6 meses, sería más razonable.

Exceder las calificaciones máximas absolutas es una mala idea.

En algunas circunstancias muy limitadas, vale la pena arriesgar empujando cuidadosamente algo más allá de los límites. Esto podría aplicarse a situaciones puntuales en las que sabe, por ejemplo, que la temperatura siempre estará por debajo de los 25 ° C y, como resultado, cree que puede salirse con la suya al violar algo más. También podría aplicarse a situaciones de tipo McGyver donde no tienes nada o algo que pueda funcionar.

No está bien exceder los límites en un diseño de producción.

En su caso particular, es probable que haya dos límites, el voltaje máximo en un pin y la corriente máxima en ese pin. Realmente no está aplicando 5 V si eso está limitado a 30 µA. Con solo 30 µA a través del diodo de protección, es posible que el voltaje máximo no se exceda realmente. Lea la hoja de datos cuidadosamente.

Una vez me encontré con una nota de aplicación de Atmel (no TI, lo sé, todavía interesante) que aprueba tal construcción ... ¡Para la detección de cruce cero en la red eléctrica!

Para proteger el dispositivo de voltajes por encima de VCC y por debajo de GND, el AVR tiene diodos de sujeción internos en los pines de E / S (consulte la Figura -1). Los diodos están conectados desde los pines a VCC y GND y mantienen todas las señales de entrada dentro del voltaje de funcionamiento del AVR (consulte la figura a continuación). Cualquier voltaje superior a VCC + 0.5V será forzado a VCC + 0.5V (0.5V es la caída de voltaje sobre el diodo) y cualquier voltaje por debajo de GND - 0.5V será forzado hasta GND - 0.5V.

...

La resistencia de entrada en serie es una resistencia de 1MΩ. No se recomienda que los diodos de sujeción conduzcan más de 1 mA como máximo, y 1 MΩ permitirá un voltaje máximo de aproximadamente 1,000 V.

Entonces, aparentemente Atmel piensa que está bien usar los diodos de sujeción en sus MCU de esta manera, hasta 1 mA. (Aunque puede discutir sobre la autoridad de App Notes)

Personalmente, todavía no estoy completamente seguro de qué pensar al respecto. Por un lado, si Atmel especifica que está bien obtener / hundir hasta 1 mA a través de los diodos de sujeción, entonces no veo ningún problema si se mantiene alejado de esa corriente (y 30 µA ciertamente calificaría para eso). Además, si se usa de esta manera, en realidad no excede las especificaciones de voltaje; los diodos lo sujetan, después de todo.

Por otro lado, ¿ está bien usar diodos de sujeción como este? Nunca encontré nada sobre la sujeción de la corriente del diodo en las hojas de datos, por lo que la única fuente para esto es una Nota de aplicación.

Por lo tanto, puede intentar encontrar documentación de TI que especifique la corriente máxima a través de los diodos de sujeción. Quizás también tengan información en sus hojas de datos o Notas de la aplicación que permitan o rechacen estos usos.

Pero si desea estar seguro, es mejor que agregue sus propios diodos de sujeción, preferiblemente de bajo Vf, es decir, Schottkys. O use un divisor de voltaje simple. De esa manera no tendrá que preocuparse si está violando las especificaciones o no.

Actualización, agosto de 2019

Cuando me encontré con la nota de la aplicación en esta respuesta, en realidad estaba haciendo un proyecto de pasatiempo en el que terminé usando esta construcción para la detección de cruce por cero de la red. (Para obtener más detalles, incluido un esquema, vea esta pregunta ; es R8 / R9).

El circuito conecta 230VCA a través de 2MΩ directamente a PB3 en un ATTiny85, colocando un pico de 58 µA RMS / 163 µA a través de los diodos ESD. Estoy todavía no del todo seguro de cómo se siente acerca de todo esto; mi motivación para usarlo fue que el proyecto era en parte un ejercicio de minimalismo ; viendo hasta qué punto podría reducir el circuito y aún así hacerlo funcionar bien.

Cualesquiera que sean los sentimientos, tres años de uso extenso más tarde, el MCU sigue funcionando bien.

Haz de eso lo que quieras ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

En cuanto a exceder la calificación máxima absoluta en general, creo que las otras respuestas han cubierto esto (es decir, no lo hagas).

En cuanto a la clasificación de voltaje máximo absoluto de un pin de E / S, es un poco más complejo de lo que parece en la superficie. En el caso (habitual) en el que las E / S tienen diodos de protección internos para VCC y GND, debe tener en cuenta dos valores máximos absolutos: el voltaje máximo absoluto y la corriente de inyección máxima absoluta. Si no excede los voltajes máximos absolutos, entonces está bien. Por otro lado, si su entrada está limitada por debajo de la corriente de inyección máxima absoluta (por ejemplo, con una resistencia),debería estar bien :)). Una excelente nota de aplicación que describe esto es: http://www.nxp.com/assets/documents/data/en/application-notes/AN4731.pdf

Específicamente para el dispositivo que enumeró, no pude encontrar ningún valor para la corriente de inyección máxima absoluta.

En situaciones como esta, donde se está acercando a los límites y / o no puede encontrar los datos que necesita, siempre recomendaría contactar al fabricante directamente y discutir el problema con uno de sus ingenieros de aplicaciones (no tenga miedo de llegar a los fabricantes, ¡generalmente están muy felices de ayudar!)

Aunque podría ser cierto lo que el ingeniero está pensando, ciertamente no es sabio.

Los diodos de sujeción son para situaciones imprevistas. NO están destinados a compensar la ignorancia y los diseños descuidados. Al hacerlo, todos los márgenes de seguridad se han ido. Un poco peor en tolerancia por diseño, fabricante o cualquier razón y el diseño falla. Cuando un técnico tropieza con tal situación sin conocer los antecedentes, puede perder mucho tiempo para descubrir qué sucede.

Por lo tanto no lo hagas y mantente dentro de las especificaciones.

Como no se mencionó en otras respuestas, exceder las clasificaciones máximas en un pin de un microcontrolador también puede resultar en lo siguiente:

• Si se aplica antes de que el microcontrolador se encienda (incluso por microsegundos), puede hacer que el micro se enganche y falle de forma catastrófica.

• Si se aplica mientras el micro está completamente apagado o apagado, esa corriente fluirá hacia sus rieles de alimentación a través de los diodos de protección, lo alimentará o evitará que se apague por completo.

Dave Jones de EEBlog tiene un buen video que demuestra este comportamiento.

Ω La solución más segura es colocar un diodo TVS para sujetar la sobretensión, en lugar de depender de la resistencia en serie efectiva de la fuga del dispositivo. La serie R limitará la corriente y, SIEMPRE mientras esa corriente sea segura, continua, debería estar bien. Pero SI acoplamiento capacitivo y protección ESD se ve comprometida, una pinza de sujeción baja Z diodo TVS es mejor (3.6V TVS) a Vcc.

Esta respuesta puede usar la Ley de Ohm con algunas estimaciones razonables, no con valores precisos.

La probabilidad de falla o mortalidad infantil aumenta bruscamente cuando se excede ABSOLUTE MAX.

El MTBF puede pasar de décadas de años a microsegundos, dependiendo de qué parámetro y la cantidad en exceso.

• Así es como la corriente de la interfaz es limitada y protegida de ESD.

Los diodos de sujeción ESD, como todos los diodos, están clasificados para cierta caída de voltaje, Vf a alguna corriente nominal, si y a menudo están en dos etapas con una resistencia limitadora de corriente en serie en el medio para atenuar los picos de 3kV a menos de 0.5V o menos que los Vgs umbral de la CMOS. Estos diodos ESD generalmente están limitados a una corriente continua de 5 mA debido al pequeño tamaño de la unión para obtener una pequeña capacitancia de polarización inversa de 1pF para una respuesta rápida de la interfaz y también una respuesta rápida del diodo.

Supongamos que la protección de clasificación ESD de una descarga estándar de 100pF es 1kV @ 5mA. Todos los diodos tienen un ESR interno que es inverso a su potencia nominal W.

Podemos estimar la caída de voltaje en el primer diodo y la caída de voltaje desde el límite de corriente típico de 5 mA para diodos ESD. Si estimamos Vf = 1V, entonces vemos que podría ser un diodo de 5mW (5mA * 1V), que tiene un ESR estimado de 1 / (5mW) = 200 Ohms.

Pero 1kV ESD de más de 200 Ohms causaría un pico de 5V en el primer diodo.

Por lo tanto, necesitamos un segundo diodo con un estimado de 10K en serie. Ahora el pico de ESD es de 5V / 10k = 0.5V, que es suficiente para estar por debajo del nivel de activación del sub-umbral Vgs de las puertas CMOS.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿30 uA son pequeños en este contexto?

¿Qué tal calcular la disipación de potencia en el diodo de sujeción, dividir a través del volumen del diodo (es decir, buscar el tamaño de la geometría) y luego ver qué tan rápido se calentará el silicio en el diodo cuando se aplica este nivel de tensión máxima: qué temperatura alcanza? ¿Se derretirá?

Estos son simples cálculos razonables que puede hacer para tener una idea de las cargas reales y explorarlas con su colega. Si puede cubrir los efectos térmicos, la tensión de tensión, el dV / dt de la capacitancia parásita (1) y similares, entonces podría tener un diseño.

Pero sospecho que encontrará que al menos un problema frustrará las ambiciones (tal vez por eso son límites máximos abdominales ;-).

(1) la capacidad parásita en cuestión es la que abarca la resistencia límite actual, que se descargará a través de ese pequeño diodo de protección, y puede no tener suficiente capacidad térmica, especialmente porque es seguida por una carga de corriente continua, incluso si sobrevive .

Con la mayoría de los dispositivos Microchip PIC esto funcionará y también está dentro de las especificaciones. El limitador de corriente (30 µA) funciona como un divisor de voltaje.

A veces, si está bien que lo que hagas se rompa la primera vez que lo uses, no te importa la calificación. Suponga que desea hacer un controlador que accione una válvula solenoide que libera un gas de un matraz. Será inútil una vez que se libere el gas. En ese caso, puede conducir la válvula solenoide con solo un transistor. Cuando se apaga, se romperá, permitiendo que la corriente pase entre su colector y su emisor. Pero está bien porque el dispositivo ya no es necesario.

Tal vez no sea estrictamente electrónica, sino un encendedor de piro. Una longitud de cable de nicromo y una batería de automóvil de 12V. Los aficionados a la cohetería hacen esto todo el tiempo para encender sus motores.

Un fusible es similar en el sentido de que su capacidad nominal está diseñada para romperse (de manera segura).