Никогда не безопасно превышать максимальные рейтинги. Даже работа в пределах номинальных значений может привести к сбоям, если, например, производственный процесс отклонился от спецификаций (у меня были силовые транзисторы, вышедшие из строя в ходе испытаний прототипа на выдержку, и производитель признал неисправность).

Чем дальше от «безопасного» региона вы работаете, тем выше вероятность раннего отказа. Может секунды, может месяцы - вообще анализа не будет. В редких случаях (а иногда и чаще по мере того, как устройства становятся более зрелыми) производитель может ослабить некоторые максимальные рейтинги, особенно рейтинги, которые относятся к ограниченным по времени нагрузкам.

В указанном вами случае вы определили, что абсолютные максимальные оценки, вероятно, являются приблизительными. Вполне вероятно, что$\mu A$токи с высоким импедансом возбуждения могут быть достаточно надежно приняты на штырях без превышения напряжения пробоя (и, возможно, вы не превысите такой номинал, поскольку штырь будет зажиматься). Кроме того, существует риск защелкивания, если неожиданные части кремния проводят ток с различными состояниями напряжения.

Не ожидайте, что это сработает на 100 000 деталей, срок службы которых составляет 10 лет. Если вы можете смириться с случайными катастрофическими сбоями, возможно, дизайн все еще разумен. Если это порт отладки для продукта за 5 долларов со сроком службы 6 месяцев, это было бы более разумно.

Превышение абсолютных максимальных оценок — плохая идея.

В некоторых очень ограниченных обстоятельствах осторожное продвижение чего-то за пределы может стоить риска. Это может относиться к разовым ситуациям, когда вы знаете, например, что температура всегда будет ниже 25 ° C, и вы думаете, что в результате вам может сойти с рук небольшое нарушение чего-то еще. Это также может относиться к ситуациям типа МакГайвера, когда у вас либо ничего нет, либо что-то, что могло бы сработать.

Недопустимо превышать ограничения в производственном проекте.

В вашем конкретном случае, вероятно, есть два ограничения: максимальное напряжение на контакте и максимальный ток на этом контакте. На самом деле вы не применяете 5 В, если оно ограничено 30 мкА. При токе всего 30 мкА через защитный диод возможно, что максимальное напряжение фактически не будет превышено. Внимательно прочитайте техпаспорт.

Однажды я наткнулся на заметку о приложении от Atmel (не TI, я знаю - все равно интересно), которая оправдывает такую ​​​​конструкцию ... Для определения пересечения нуля в сети!

Для защиты устройства от напряжений выше VCC и ниже GND, AVR имеет внутренние фиксирующие диоды на контактах ввода/вывода (см. рис. -1). Диоды подключены от контактов к VCC и GND и удерживают все входные сигналы в пределах рабочего напряжения AVR (см. рисунок ниже). Любое напряжение выше VCC + 0,5 В будет снижено до VCC + 0,5 В (0,5 В — это падение напряжения на диоде), а любое напряжение ниже GND — 0,5 В будет принудительно увеличено до GND — 0,5 В.

...

Последовательный входной резистор представляет собой резистор 1 МОм. Не рекомендуется, чтобы ограничивающие диоды проводили больше, чем максимум 1 мА, а 1 МОм позволит максимальное напряжение примерно 1000 В.

Так что, по-видимому, Atmel считает нормальным использовать ограничивающие диоды на своих микроконтроллерах таким образом, до 1 мА. (Хотя об авторитетности App Notes можно поспорить)

Лично я до сих пор не совсем уверен, что об этом думать. С одной стороны, если Atmel указывает, что можно получать/принимать ток до 1 мА через фиксирующие диоды, то я не вижу проблем, если вы будете держаться подальше от этого тока (и 30 мкА, безусловно, подходят для этого). Кроме того, при таком использовании вы фактически не превысите характеристики напряжения; диоды зажимают его, в конце концов.

С другой стороны, можно ли использовать такие фиксирующие диоды? Я никогда не находил в даташитах информацию о токе диодов фиксации, поэтому единственным источником для этого является App Note.

Таким образом, вы можете попытаться найти документацию от TI, указывающую максимальный ток через фиксирующие диоды. Возможно, у них также есть информация в их таблицах данных или примечаниях к приложениям, разрешающая или запрещающая такое использование.

Но если вы хотите быть в безопасности, вам лучше добавить свои собственные ограничительные диоды, желательно с низким Vf, т.е. Шоттки. Или используйте простой делитель напряжения. Таким образом, вам не придется беспокоиться о том, нарушаете ли вы спецификации или нет.

Обновление, август 2019 г.

Когда я наткнулся на примечание к приложению в этом ответе, я на самом деле делал хобби-проект, в котором я использовал эту конструкцию для определения пересечения нуля в сети. (Для получения более подробной информации, включая схему, см. этот вопрос ; это R8/R9).

Схема подключает 230 В переменного тока через 2 МОм напрямую к PB3 на ATTiny85, пропуская около 58 мкА RMS / 163 мкА пик через диоды ESD. Я все еще не совсем уверен, как ко всему этому относиться; Моей мотивацией для его использования было то, что проект частично был упражнением в минимализме ; посмотреть, насколько я могу уменьшить схему, и она все еще работает хорошо.

Какими бы ни были ощущения, спустя три года интенсивного использования MCU все еще работает нормально.

Сделай из этого то, что хочешь ¯\_(ツ)_/¯

Что касается превышения абсолютного максимального рейтинга в целом, я думаю, что другие ответы охватили это (т.е. не делайте этого).

Что касается абсолютного максимального номинального напряжения на контакте ввода-вывода, это немного сложнее, чем кажется на первый взгляд. В (обычном) случае, когда входы/выходы имеют внутренние защитные диоды на VCC и GND, необходимо учитывать два абсолютных максимальных значения: абсолютное максимальное напряжение и абсолютный максимальный ток инжекции. Если вы не превышаете абсолютное максимальное напряжение, то все в порядке. С другой стороны, если ваш входной ток ограничен ниже абсолютного максимального тока инжекции (например, с помощью резистора),должно быть нормально :)). Отличные заметки по применению, описывающие это: http://www.nxp.com/assets/documents/data/en/application-notes/AN4731.pdf

Конкретно для перечисленного вами устройства мне не удалось найти никаких значений абсолютного максимального тока инжекции.

В подобных ситуациях, когда вы приближаетесь к ограничениям и/или не можете найти нужные данные, я всегда рекомендую связаться напрямую с производителем и обсудить проблему с одним из его инженеров по приложениям (не бойтесь обращения к производителям, они обычно очень рады помочь!)

Хотя то, что думает инженер, может быть правдой, это определенно неразумно.

Зажимные диоды предназначены для непредвиденных ситуаций. Они НЕ предназначены для компенсации невежества и небрежного дизайна. При этом исчезают все запасы безопасности. Немного хуже по допуску по дизайну, производителю или какой-либо другой причине, и конструкция дает сбой. Когда технический специалист попадает в такую ​​ситуацию, не зная предыстории, он или она может потратить много времени на то, чтобы выяснить, что происходит.

Поэтому не делайте этого и оставайтесь в пределах спецификаций.

Поскольку это не упоминалось в других ответах, превышение максимальных значений на одном выводе микроконтроллера также может привести к следующему:

• Если его применить до того, как микроконтроллер включится (даже за микросекунды), это может привести к защелкиванию микроконтроллера и катастрофическому отказу.

• Если он применяется, когда микроконтроллер полностью выключен или выключен, этот ток будет течь в его шины питания через защитные диоды, питая его или предотвращая его полное отключение.

У Дэйва Джонса из EEBlog есть хорошее видео, демонстрирующее такое поведение.

Ω Более безопасным решением является установка TVS-диода для ограничения перенапряжения, а не зависимость от эффективного последовательного сопротивления утечки устройства. Серия R будет ограничивать ток, и пока этот ток безопасен и непрерывен, все должно быть в порядке. Но если емкостная связь и защита от электростатического разряда нарушены, лучше всего использовать зажимной диод TVS с низким Z (3,6 В TVS) для Vcc.

В этом ответе может использоваться закон Ома с некоторыми разумными оценками, а не точными значениями.

Вероятность отказа или младенческой смертности резко возрастает при превышении АБСОЛЮТНОГО МАКС.

Среднее время безотказной работы может составлять от десятков лет до микросекунд, в зависимости от того, какой параметр и величина превышения.

• Вот как ток интерфейса ограничен и защищен от электростатического разряда.

Зажимные диоды ESD, как и все диоды, рассчитаны на определенное падение напряжения, Vf при некотором номинальном токе, If и часто состоят из двух ступеней с последовательным токоограничивающим резистором между ними для ослабления пиков 3 кВ до уровня менее 0,5 В или ниже Vgs. порог CMOS. Эти диоды ESD обычно ограничены постоянным током 5 мА из-за небольшого размера перехода, чтобы получить небольшую емкость обратного смещения 1 пФ для быстрого отклика интерфейса, а также быстрого отклика диода.

Предположим, что защита от электростатического разряда при стандартном разряде 100 пФ составляет 1 кВ при 5 мА. Все диоды имеют внутреннее ESR, обратное номинальной мощности Вт.

Мы можем оценить падение напряжения на 1-м диоде и падение напряжения от типичного предела тока 5 мА для диодов ESD. Если мы оценим Vf = 1 В, то увидим, что это может быть диод мощностью 5 мВт (5 мА * 1 В), который имеет расчетное ESR 1/(5 мВт) = 200 Ом.

Но 1 кВ ESD на 200 Ом вызовет всплеск 5 В на 1-м диоде.

Таким образом, нам нужен 2-й диод с оценкой 10K последовательно. Теперь всплеск электростатического разряда составляет 5 В / 10 кОм = 0,5 В, чего достаточно, чтобы быть ниже подпорогового уровня срабатывания Vgs вентилей CMOS.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

30 мкА мало в этом контексте?

Как насчет того, чтобы рассчитать мощность, рассеиваемую в ограничительном диоде, разделить на объем диода (т. е. найти геометрический размер), а затем посмотреть, как быстро кремний в диоде будет нагреваться при приложении этого пикового уровня напряжения? Какая температура будет это достичь? Будет ли он таять?

Это простые разумные расчеты , которые вы можете сделать, чтобы получить представление о реальных нагрузках и изучить их вместе с вашим коллегой. Если вы можете учесть тепловые эффекты, перенапряжение, dV/dt из-за паразитной емкости (1) и т.п., тогда у вас может быть конструкция.

Но я подозреваю, что вы обнаружите, что по крайней мере одна проблема помешает амбициям (может быть, поэтому они являются абс-максимальными ограничениями ;-).

(1) паразитная емкость, вызывающая беспокойство, - это емкость, охватывающая сопротивление ограничения тока, которое будет разряжаться через этот маленький защитный диод и может не иметь достаточной теплоемкости, тем более что за ней следует устойчивая нагрузка постоянного тока, даже если она выдержит .

Это будет работать с большинством устройств Microchip PIC и также соответствует спецификации. Ограничитель тока (30 мкА) работает как делитель напряжения.

Иногда, если это нормально, что то, что вы делаете, ломается при первом использовании, вы можете меньше заботиться о рейтинге. Предположим, вы хотите создать контроллер, который управляет электромагнитным клапаном, выпускающим газ из колбы. Это будет бесполезно после выпуска газа. В этом случае вы можете управлять электромагнитным клапаном только с помощью транзистора. Когда он выключен, он сломается, позволяя току проходить между его коллектором и эмиттером. Но это нормально, потому что устройство больше не нужно.

Возможно, это не строго электроника, а пиропатрон. Отрезок нихромовой проволоки и автомобильный аккумулятор на 12 В. Любители ракетостроения делают это все время, чтобы запустить свои двигатели.

Предохранитель аналогичен тому, что его номинальная мощность рассчитана на взлом (безопасным способом).