Proteção contra tensão reversa e sobretensão (3.3 V a 12 V)

Este tutorial descreve como projetar um estágio de proteção para um power rail/barramento DC na faixa de 3.3 V a 12 V, para reduzir o risco de dano quando:

• a alimentação é conectada com polaridade invertida;
• o usuário aplica uma tensão maior do que a permitida no barramento (ex.: injetar 12 V em um rail de 3.3 V);
• existe risco de injeção de tensão por outro caminho (ex.: cabo externo, periféricos, pinos de expansão, ESD, etc.).

A ideia geral é separar o problema em 2 funções:

• 1) bloquear corrente no sentido errado (reverse polarity / backfeed)
• 2) limitar/desconectar em caso de sobretensão (OVP)

A solução “certa” depende do que você quer proteger:

• Barramento como entrada de energia (um conector recebe alimentação externa)
• Barramento como distribuição interna (gerado na placa e exposto ao usuário)

Em projetos educacionais (onde o usuário pode errar), normalmente vale a pena usar uma proteção mais robusta, mesmo que custe mais.

0) Premissas deste projeto

• Os rails (3.3 V, 5 V, 12 V) são somente saída.
• Cada rail deve suportar até 1 A.

Consequência importante:

• A proteção deve impedir que o usuário alimente o rail por fora (backfeed). Ou seja, além de proteger contra polaridade reversa/sobretensão, o estágio deve ter bloqueio de corrente reversa (de VOUT para VIN).

1) Cenários de falha típicos

1.1) Polaridade reversa

Exemplos:

• fonte DC com conector 2 vias invertido;
• jacaré/banana invertidos;
• cabo de alimentação montado errado.

Efeito:

• sem proteção, componentes podem conduzir pela junção PN e queimar rapidamente.

1.2) Sobretensão (o caso “12 V no rail de 3.3 V”)

Exemplos:

• o usuário conecta o rail errado no conector (mistura 3.3 V/5 V/12 V);
• um módulo externo injeta 12 V por engano em um pino que deveria ser 3.3 V.

Efeito:

• 3.3 V é excedido rapidamente, e geralmente o dano ocorre em:
  • MCU/SoC (pinos e VDD)
  • sensores
  • LDOs/bucks (se estiverem “no caminho reverso”)

1.3) Backfeed (injeção por carga)

Mesmo se você protege o “input principal”, ainda pode existir injeção por:

• sinais de IO com diodos internos (clamp ESD nos pinos do MCU)
• periféricos conectados
• outra fonte conectada em paralelo

Para esse caso, quase sempre você precisa de isolamento por caminho de alimentação (série com MOSFET/eFuse) e de regras de interface (resistores, proteção de IO, etc.).

2) Requisitos práticos (o que definir antes)

Defina, para cada rail que será exposto ao usuário (3.3 V, 5 V, 12 V):

• Vnom: tensão nominal (3.3/5/12)
• Imax: corrente máxima esperada
• Vrev: quanto tempo/nível você quer sobreviver com polaridade invertida (idealmente indefinido)
• Vov_trip: tensão em que deve desligar (ex.: 3.6–4.0 V para rail 3.3 V)
• Energia de surtos/ESD: se o conector for “externo”, você precisa de TVS

Também defina se o rail pode ser entrada OU saída (bidirecional). Em rails “educacionais”, muitas vezes o rail é exposto como saída, mas o usuário pode tentar usar como entrada.

• Se você quer impedir que o rail seja alimentado por fora, você precisa bloquear backfeed.

Nesta placa, como os rails são somente saída, o bloqueio de backfeed não é opcional.

3) Topologia A (simples, barata): fusível + MOSFET de polaridade + TVS

Esta topologia é boa para:

• polaridade reversa;
• surtos/ESD;
• curto na saída (dependendo do fusível);

Mas não é a melhor para “12 V aplicado em rail 3.3 V”, porque o TVS pode ter que absorver muita energia e o fusível pode demorar a atuar.

3.1) Bloco do circuito

VIN ---- F1 ---- Q1 (MOSFET ideal diode) ---- VOUT ---- COUT ---- carga
                     |
                     +---- DTVS para GND (opcional, recomendado em conector)

• F1: polyfuse (PTC) ou fusível normal.
• Q1: MOSFET canal P no high-side (ou N com controlador ideal diode). Configurado para atuar como “diodo ideal” (baixa queda) e bloquear reverso.
• DTVS: TVS para proteger contra ESD e transientes rápidos (não para “segurar 12 V indefinidamente”).

Notas de dimensionamento (para até 1 A):

• Para não perder muita tensão, você quer Rds(on) baixo. Exemplo de ordem de grandeza:
  • alvo Rds(on) <= 50 mΩ (em condições realistas de VGS)
  • queda a 1 A: V = I*R = 1A*0.05Ω = 50 mV
  • dissipação a 1 A: P = I²*R = 1²*0.05 = 50 mW
• Se usar PTC como F1, escolha um modelo com:
  • Ihold maior que sua corrente nominal contínua (ex.: 1 A)
  • Itrip coerente com sua fonte/corrente de curto
  • atenção: PTC pode demorar para atuar e deixa a placa aquecida durante falha.

3.2) Como o MOSFET bloqueia reverso (visão rápida)

• Com polaridade correta, você puxa o gate do MOSFET de forma que VGS fique negativo e o MOSFET conduza.
• Com polaridade invertida, o diodo de corpo fica reversamente polarizado e o MOSFET desliga, bloqueando corrente.

3.3) Limitações desta topologia

• Sobretensão contínua (ex.: 12 V em rail 3.3 V) só é “resolvida” se:
  • o TVS entrar em avalanche e o fusível abrir/limitar rápido o suficiente;
  • e a energia térmica for aceitável.

Em um produto educacional, isso pode funcionar como “último recurso”, mas não é uma proteção elegante.

4) Topologia B (recomendada): eFuse/hot-swap com reverse + OVP cutoff

Para evitar dano quando o usuário aplica a tensão errada, o ideal é desconectar o rail automaticamente quando VOUT ou VIN passar do limite.

A forma mais prática e robusta é usar um eFuse / load switch com proteção.

4.1) Bloco do circuito

VIN ---- (TVS) ---- eFuse/LoadSwitch (reverse + OVP + ILIM) ---- VOUT ---- carga

Esse CI geralmente fornece:

• Reverse input protection (bloqueia polaridade invertida)
• Reverse current blocking (impede backfeed do VOUT para VIN)
• Overvoltage protection (OVP): desliga acima de um threshold
• Current limit / short protection: limita corrente em falha
• Thermal shutdown

4.2) Como aplicar na faixa 3.3 V a 12 V

Em um sistema com múltiplos rails expostos (3.3/5/12), a prática recomendada é:

• Ter um eFuse por rail exposto, com limiar de OVP adequado:
  • rail 3.3 V: trip ~3.6–4.0 V
  • rail 5 V: trip ~5.6–6.5 V
  • rail 12 V: trip ~13.0–15 V (dependendo do que seus componentes suportam)

Assim, se o usuário aplicar 12 V no rail 3.3 V, o eFuse do rail 3.3 V abre e isola o barramento rapidamente.

Para o requisito de 1 A:

• Selecione eFuse/load switch com ILIM programável ou fixo que suporte:
  • corrente contínua >= 1 A
  • eventos de curto (foldback/limite/thermal)
• Verifique a queda de tensão no caminho:
  • Vdrop ≈ I * Ron (para load switches com resistência de condução)
  • quanto menor Ron, melhor para manter 3.3 V dentro da tolerância com 1 A.

4.3) Componentes típicos ao redor do eFuse

• Capacitores de entrada/saída (para estabilidade e resposta a transientes)
• Resistor/programação de limite de corrente (se aplicável)
• Pino EN e/ou FAULT para o MCU sinalizar e registrar falhas

4.4) Vantagens

• Atua rápido e de forma repetível.
• Dissipa menos que uma proteção “crowbar+fusível” em erros comuns.
• Ajuda muito no caso de injeção e backfeed.

4.5) Observações importantes

• Verifique a faixa de operação do CI (tensão máxima absoluta e tensão operacional).
• Confirme se ele bloqueia reverse current (muitos load switches simples não bloqueiam).

5) Alternativa clássica para OVP: “crowbar” + fusível (quando faz sentido)

Outra técnica é forçar um curto controlado quando VOUT excede o limite, fazendo o fusível atuar:

• Comparador/referência detecta sobretensão.
• Um SCR/triac/MOSFET é acionado, “derrubando” o rail.

Essa abordagem pode ser útil quando:

• você quer uma proteção de sobretensão muito “agressiva”;
• a fonte que alimenta o rail é limitada;
• você aceita trocar fusível (ou deixar o PTC aquecer e limitar).

Mas em rails educacionais (onde o usuário pode errar várias vezes), eFuse costuma ser melhor UX.

6) Checklist de implementação (o que não esquecer)

• Proteção precisa estar o mais perto possível do conector onde o erro pode acontecer.
• Use TVS em entradas expostas para ESD/transientes.
• Garanta bloqueio de corrente reversa (backfeed) quando o rail pode ser alimentado externamente.
• Considere também a proteção dos sinais (IO): se o usuário injeta tensão por um pino de sinal, o rail pode subir via diodos internos.
• Se houver conversores DC-DC/LDO, verifique se precisam de:
  • diodo de bypass (proteção contra corrente reversa)
  • ou se o próprio eFuse resolve o backfeed

7) Recomendação direta para este caso (rails somente saída, até 1 A)

• Use um estágio com bloqueio de corrente reversa + OVP por rail exposto.
• Para o rail 3.3 V, priorize uma solução que realmente desconecte em sobretensão (Topologia B), porque:
  • “12 V no 3.3 V” não é transiente rápido, é erro de conexão;
  • depender só de TVS/Zener vira dissipação e pode falhar.
• Para os rails 5 V e 12 V, a mesma lógica se aplica: OVP + reverse-current blocking melhora muito a sobrevivência do kit.

8) Recomendações práticas (para um kit educacional)

• Se o rail 3.3 V for exposto ao usuário: use eFuse com OVP ajustada (Topologia B).
• Se o rail 12 V for exposto ao usuário: use eFuse com limite de corrente e TVS.
• Evite depender apenas de Zener/TVS para “aguentar 12 V no 3.3 V”: isso vira dissipação térmica e pode falhar.

Observação sobre TVS:

• TVS é excelente para ESD/transientes curtos.
• Para erro contínuo de ligação (ex.: conectar 12 V fixo no conector do rail 3.3 V), o elemento que “resolve” deve ser a desconexão (eFuse/load switch) e não o TVS.