Eu sempre pensei que as classificações máximas absolutas de uma parte são os limites que você não violará. Período. Fim da história.

No entanto, outro engenheiro está convencido de que não há problema em exceder a classificação máxima absoluta para a tensão de entrada em um pino de E / S do microcontrolador. Especificamente, ele deseja aplicar 5v, corrente limitada a 30uA, a um micro com uma tensão máxima absoluta de 3,8v (Vdd + 0,3V <= 3,9V). O argumento é que os diodos de fixação cuidam da tensão em excesso.

Não encontrei nada na folha de dados sobre o hardware de E / S no micro.

Quando é permitido exceder a classificação máxima absoluta de uma peça?

Ficha de dados

Guia de usuario

Nunca é seguro exceder as classificações máximas. Mesmo a operação em um ponto dentro das classificações pode resultar em falhas se, por exemplo, o processo de fabricação ficar fora das especificações (tive transistores de potência falharem em um protótipo de teste de imersão e o fabricante admitir uma falha).

Quanto mais longe da região 'segura' você opera, maior a chance de falha precoce. Talvez segundos, talvez meses - geralmente a análise não existe. Raramente, (e às vezes mais comumente à medida que os dispositivos se tornam mais maduros), um fabricante pode relaxar algumas das classificações máximas - particularmente as relacionadas a tensões limitadas no tempo.

No caso de você especificar, identificou que as classificações máximas absolutas provavelmente são uma aproximação. É plausível que correntes com alta impedância de acionamento possam ser aceitas nos pinos de maneira bastante confiável sem exceder as tensões de ruptura (e, sem dúvida, você não excede a classificação como essa, pois o pino se prende). Além disso, existe o risco de travamento se partes inesperadas do silício estiverem conduzindo com vários estados de tensão.$\mu A$

Não espere que isso funcione em 100.000 peças, com uma vida útil de 10 anos. Se você pode conviver com uma falha catastrófica ocasional, talvez o design ainda seja razoável. Se for uma porta de depuração em um produto de US $ 5 com uma vida útil de 6 meses, seria mais razoável.

Exceder as classificações máximas absolutas é uma má ideia.

Em algumas circunstâncias muito limitadas, empurrar cuidadosamente algo além dos limites pode valer o risco. Isso pode se aplicar a situações pontuais em que você sabe, por exemplo, que a temperatura sempre estará abaixo de 25 ° C e você acha que pode se safar de violar algo mais como resultado. Isso também se aplica a situações do tipo McGyver, nas quais você não tem nada ou algo que possa funcionar.

Não é permitido exceder os limites em um design de produção.

No seu caso particular, provavelmente existem dois limites, a tensão máxima em um pino e a corrente máxima nesse pino. Você não está realmente aplicando 5 V se isso estiver limitado a 30 µA. Com apenas 30 µA através do diodo de proteção, é possível que a tensão máxima não seja realmente excedida. Leia a folha de dados com atenção.

Uma vez me deparei com uma nota de aplicativo da Atmel (não a TI, eu sei - ainda interessante) que tolera essa construção ... Para detecção de cruzamento cruzado na rede elétrica!

Para proteger o dispositivo de tensões acima do VCC e abaixo do GND, o AVR possui diodos de fixação internos nos pinos de E / S (consulte a Figura -1). Os diodos são conectados dos pinos ao VCC e ao GND e mantêm todos os sinais de entrada dentro da tensão de operação do AVR (veja a figura abaixo). Qualquer voltagem maior que VCC + 0,5V será forçada até VCC + 0,5V (0,5V é a queda de tensão sobre o diodo) e qualquer voltagem abaixo de GND - 0,5V será forçada até GND - 0,5V.

...

O resistor de entrada em série é um resistor de 1MΩ. Não é recomendável que os diodos de aperto conduzam mais do que 1mA máximo e 1MΩ permitirá uma tensão máxima de aproximadamente 1.000V.

Então, aparentemente, Atmel acha que não há problema em usar os diodos de fixação em seus MCUs dessa maneira, até 1mA. (Embora você possa discutir sobre a autoridade do App Notes)

Pessoalmente, ainda não tenho certeza do que pensar disso. Por um lado, se a Atmel especificar que não há problema em fornecer / reduzir até 1mA através dos diodos de fixação, não vejo problema se você ficar bem longe dessa corrente (e 30µA certamente se qualificariam para isso). Além disso, se usado dessa maneira, você não excederá as especificações de tensão; afinal, os diodos o prendem.

Por outro lado, está correto usar os diodos de fixação como este? Eu nunca encontrei nada sobre a corrente de diodo de fixação nas folhas de dados, portanto, a única fonte para isso é uma nota de aplicativo.

Assim, você pode tentar encontrar a documentação da TI especificando a corrente máxima através dos diodos de aperto. Talvez eles também tenham informações em suas folhas de dados ou no App Notes, permitindo ou não esses usos.

Mas se você quer estar seguro, é melhor adicionar seus próprios diodos de fixação, de preferência os de baixo Vf, como Schottkys. Ou use um divisor de tensão simples. Dessa forma, você não precisará se preocupar se está violando as especificações ou não.

Atualização, agosto de 2019

Quando me deparei com a nota do aplicativo nesta resposta, eu estava realmente fazendo um projeto de hobby em que acabei usando esse construto para a detecção de cruzamento zero da rede elétrica. (Para mais alguns detalhes, incluindo um esquema, consulte esta pergunta ; é R8 / R9).

O circuito conecta 230VAC através de 2MΩ diretamente ao PB3 em um ATTiny85, colocando cerca de 58µA RMS / 163µA de pico através dos diodos ESD. Ainda não tenho muita certeza de como me sentir sobre a coisa toda; minha motivação para usá-lo foi que o projeto era em parte um exercício de minimalismo ; vendo o quão longe eu poderia reduzir o circuito e ainda fazê-lo funcionar bem.

Quaisquer que sejam os sentimentos, três anos de uso extensivo depois, o MCU ainda está funcionando bem.

Faça disso o que você vai ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

Em relação a exceder a classificação máxima absoluta em geral, acho que as outras respostas cobriram isso (ou seja, não faça isso).

Com relação à tensão máxima absoluta de um pino de E / S, é um pouco mais complexo que ele apareça na superfície. No caso (usual) em que a E / S possui diodos de proteção internos para VCC e GND, é necessário levar em consideração dois valores máximos absolutos: a tensão máxima absoluta e a corrente máxima absoluta de injeção. Se você não exceder as tensões máximas absolutas, estará bem. Por outro lado, se sua entrada for limitada de corrente abaixo da corrente máxima absoluta de injeção (por exemplo, com um resistor),deve estar ok :)). Uma excelente nota de aplicação que descreve isso é: http://www.nxp.com/assets/documents/data/en/application-notes/AN4731.pdf

Especificamente para o dispositivo que você listou, não consegui encontrar nenhum valor para a corrente máxima absoluta de injeção.

Em situações como essa, em que você está chegando perto dos limites e / ou não encontra os dados necessários, sempre recomendo entrar em contato diretamente com o fabricante e discutir o problema com um de seus engenheiros de aplicação (não tenha medo de entrar em contato com os fabricantes, eles geralmente ficam super felizes em ajudar!)

Embora possa ser verdade o que o engenheiro está pensando, certamente não é sábio.

Os diodos de fixação são para situações imprevistas. Eles NÃO são destinados a compensar a ignorância e os designs desleixados. Ao fazer isso, todas as margens de segurança desapareceram. Um pouco pior na tolerância por projeto, fabricante ou por qualquer motivo e o projeto falha. Quando um técnico se depara com essa situação sem conhecer os antecedentes, pode perder muito tempo para descobrir o que acontece.

Portanto, não fique e fique dentro das especificações.

Como não foi mencionado em outras respostas, exceder as classificações máximas em um pino de um microcontrolador também pode resultar no seguinte:

• Se aplicado antes que o microcontrolador seja ligado (mesmo em microssegundos), ele pode travar e falhar catastroficamente.

• Se aplicada enquanto o micro estiver completamente desligado ou desligado, essa corrente fluirá para seus trilhos de energia através dos diodos de proteção, energizando-o ou impedindo-o de desligar completamente.

Dave Jones, do EEBlog, tem um bom vídeo demonstrando esse comportamento.

Ω A solução mais segura é colocar um diodo TVS para prender a sobretensão, em vez de depender da resistência efetiva da série ao vazamento do dispositivo. A série R limitará a corrente e, contanto que essa corrente seja segura, contínua, deve estar ok. Mas se o acoplamento capacitivo e a proteção contra ESD estiverem comprometidos, um diodo de braçadeira TVS de baixo grampo Z é o melhor (3,6V TVS) para Vcc.

Esta resposta pode usar a lei de Ohm com algumas estimativas razoáveis, valores não precisos.

A probabilidade de falha ou mortalidade infantil aumenta acentuadamente quando o ABSOLUTE MAX é excedido.

O MTBF pode passar de décadas de anos a microssegundos, dependendo de qual parâmetro e da quantidade excedente.

• Aqui está como a corrente da interface é limitada e protegida contra ESD.

ESD diodos de fixação, como todos os díodos, estão classificados para certa queda de tensão, Vf em algum corrente nominal, Se e são muitas vezes em duas fases com uma corrente série resistência limitadora entre a atenuar 3kV picos para menos de 0,5 V ou menos do que o Vgs limiar o CMOS. Esses diodos ESD geralmente são limitados a 5mA de corrente contínua devido ao pequeno tamanho da junção para obter uma pequena capacitância de polarização reversa de 1pF para resposta rápida da interface e também resposta rápida do diodo.

Vamos supor que a proteção de classificação ESD de uma descarga padrão de 100pF seja 1kV a 5mA. Todos os diodos têm uma ESR interna que é inversa à sua classificação de potência W.

Podemos estimar a queda de tensão no 1º diodo e a queda de tensão no limite de corrente típico de 5mA para diodos ESD. Se estimarmos Vf = 1V, veremos que poderia ser um diodo de 5mW (5mA * 1V), que tem uma ESR estimada de 1 / (5mW) = 200 Ohms.

Mas 1kV ESD acima de 200 Ohms causaria um pico de 5V no 1º diodo.

Portanto, precisamos de um segundo diodo com uma estimativa de 10K em série. Agora, o pico de ESD é de 5V / 10k = 0,5V, o que é suficiente para ficar abaixo do nível de disparo do sublimiar Vgs dos portões CMOS.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

30 uA são pequenos nesse contexto?

Que tal calcular a dissipação de energia no diodo do grampo, dividir pelo volume do diodo (ou seja, consultar o tamanho da geometria) e ver com que rapidez o silício no diodo aquece quando esse nível de estresse de pico é aplicado - Qual temperatura seria alcançar? Derreterá?

Estes são cálculos simples e razoáveis ​​que você pode fazer para controlar os carregamentos reais em andamento e explorá-los com seu colega. Se você pode cobrir os efeitos térmicos, o estresse de tensão, o dV / dt da capacitância dispersa (1) e similares, então você pode ter um design.

Mas eu suspeito que você descobrirá que pelo menos um problema frustrará as ambições (talvez seja por isso que eles são limites máximos de abs ;-).

(1) a capacitância dispersa de preocupação é aquela que abrange a resistência limite de corrente, que será descarregada por esse pequeno diodo de proteção e pode não ter capacidade térmica suficiente, especialmente porque é seguida por uma carga contínua de energia CC, mesmo que sobreviva .

Na maioria dos dispositivos Microchip PIC, isso funcionará e também está dentro da especificação. O limitador de corrente (30µA) funciona como um divisor de tensão.

Às vezes, se estiver tudo bem que o que você faz quebra na primeira vez em que é usado, você pode se importar menos com a classificação. Suponha que você queira criar um controlador que mova uma válvula solenóide que libere um gás de um balão. Será inútil depois que o gás for liberado. Nesse caso, você pode acionar a válvula solenóide apenas com um transistor. Quando desligado, ele quebra, permitindo que a corrente passe entre seu coletor e emissor. Mas tudo bem, porque o dispositivo não é mais necessário.

Talvez não seja estritamente eletrônica, mas um piro-ignitor. Um comprimento de fio de nicromo e uma bateria de carro de 12V. O pessoal do foguete faz isso o tempo todo para acionar seus motores.

Um fusível é semelhante, pois sua capacidade nominal é projetada para ser violada (de maneira segura).