¿Cómo proteger el pin analógico de un microcontrolador de una sobretensión continua?

Tengo un requisito de diseño en el que tengo que adquirir una señal analógica y leerla a través de un microcontrolador.

Estoy usando un divisor de voltaje basado en una resistencia normal con valores de 47K y 10K seguido de un filtro de paso bajo RC.

Funciona bien, pero como el microcontrolador puede soportar un máximo de 4V en su entrada (Usando un STM32 uC), necesito proteger el pin en caso de que la entrada al divisor sea superior a 23V.

Conecté una resistencia en serie y un circuito de diodo zener de 4 V en la salida del divisor de resistencia para hacerlo, pero afecta la linealidad del circuito.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Por ejemplo, si la entrada a uC es Vout y la entrada al divisor de resistencia es Vin, en el caso de que el circuito de resistencia + zener no esté conectado, la relación (Vin/Vout) para todo el rango de Vin permanece constante. Entonces, idealmente, Vin se puede calcular con la fórmula de Vin = 5.7 * Vout

Sin embargo, cuando se conecta el zener, la relación no permanece constante y sigue fluctuando en todo el rango de Vin y, por lo tanto, los datos de Vout no se pueden usar para calcular Vin con precisión.

Necesito proteger el pin de sobrevoltaje continuo y picos transitorios.

¿Alguien puede sugerir qué debo hacer exactamente para lograr la protección y la linealidad requeridas en el rendimiento del circuito?

¿Qué dice la hoja de datos sobre la corriente de entrada máxima que puede tomar el pin?
¿Necesita que el circuito funcione correctamente en cualquier aspecto con sobretensión presente? ¿O simplemente que no haya daños?
El problema bien puede ser una fuga en el zener; la parte que tiene es una parte de uso general y puede tener varias decenas de microamperios de fuga (no especificados en la hoja de datos), que es considerable en comparación con la corriente de la entrada A/D. Una parte de baja fuga podría ayudar significativamente.

Respuestas (1)

El problema es que los diodos Zener de bajo voltaje tienen una 'rodilla' suave y una corriente de fuga relativamente alta, demasiado alta para su señal analógica sensible. La solución más fácil es simplemente usar un Zener de voltaje más alto que tenga una corriente de fuga más baja (por ejemplo, BZX84C12 pasa < 100 nA a 8 V).

Sin embargo, esto hará que el diodo de protección en la entrada del ADC inyecte algo de corriente en la fuente de alimentación de la MCU. La mayoría de los reguladores no pueden absorber mucha corriente, por lo que para evitar que aumente el voltaje de suministro, debe proporcionar una ruta para esa corriente. Con un Zener de 12 V, la corriente inyectada alcanzaría un máximo de ~ 800 uA, que se puede derivar a tierra con una resistencia de 3,3 k Ω (esto no será necesario si otros dispositivos en ese suministro consumen más de 800 uA en todo momento).

Si la corriente inyectada continua es demasiado alta para el diodo de protección, debe agregar un diodo Schottky externo, que tiene una caída de voltaje más baja para que tome el relevo. Este diodo también debe tener una baja fuga para evitar afectar la lectura del ADC.

El circuito se vería así: -

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Otra opción es hacer una pinza activa con un transistor PNP. Esto podría tener una fuga mucho menor, así como una corriente de suministro más baja sin preocuparse por la corriente inyectada. En el circuito debajo de D3, establece la base de Q1 en ~ 0.4 V por debajo de Vdd, por lo que el transistor se enciende a ~ 0.2 V por encima de Vdd (antes del diodo de protección de la MCU) derivando la corriente a tierra como lo hizo el diodo Zener, pero a ~ 3.5 V en lugar de 12 voltios

esquemático

simular este circuito

Al OP: tenga cuidado con la alta corriente de fuga inversa en los diodos Schottky a temperaturas más altas. Puede ser mucho más de lo que obtienes a temperatura ambiente.
@mkeith, y el Zener también, otra razón para preferir la abrazadera activa (o mejor aún, un amplificador de búfer, pero pensé que el OP estaba buscando una solución más simple).
@mkeith - de hecho así; la fuga es exponencial con la temperatura en mi experiencia. He visto a bastantes entrar en fuga térmica.
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