ESD zaštita za bežične dizajne
Elektrostatičko pražnjenje (ESD) je iznenadno, nekontrolirano oslobađanje statičke električne energije. Ovo pražnjenje električne energije može oštetiti osjetljive integrirane sklopove, a dizajneri bežičnih sustava moraju biti svjesni ESD-a.
Proizvođači bežičnih sustava razvijaju strože ESD specifikacije, otežavajući zadatak dizajnera tiskanih ploča. Postoji niz različitih ESD standarda, što komplicira projektiranje. Razmatramo dva najčešća međunarodna standarda: model ljudskog tijela HBM (humanbodymodel) i IEC1000-4-2. Prvi standard simulira uvjete kontakta i primjenjuje se na uređaj; drugi standard se koristi za ESD zaštitu na razini sustava.
ESD zaštita za bežične dizajne suočava se s posebnim izazovima. Postoje različite tehnike za ESD zaštitu, svaka sa svojim prednostima i nedostacima. Međutim, za bežične dizajne, izvedba, prostor kruga, težina, potrošnja energije i cijena idu u prilog korištenju integriranih diodnih zaštitnih mreža.
Nadalje, raspravljat ćemo o tome kako primijeniti diodnu mrežu za postizanje najbolje izvedbe ESD zaštite. Optimalna izvedba usko je povezana s rasporedom tiskane ploče kako bi se osiguralo da ESD struje mogu ući u zaštitni uređaj bez oštećenja osjetljivih integriranih krugova. Osim toga, korištenje dioda zaštitne mreže treba obratiti pozornost na power-down problem sustava. Naposljetku, ne postoji jednostavan način za povezivanje ESD zaštite uređaja sa zaštitnom izvedbom sustava, ali određivanje napona stezanja za zaštitu uređaja je učinkovit način za povezivanje to dvoje.
ESD standard HBMESD test se obično koristi za integrirane krugove, dok IEC1000 definira ESD test sustava. Oba koriste ESD model pražnjenja kondenzatora koji prolaze kroz otpornike koji ograničavaju struju (slika 1). Razlika je u veličini vrijednosti uređaja. Za HBM, vrijednost kondenzatora je 100pF, a otpornik za ograničavanje struje je 1500Ω. Imajte na umu da je vršna struja pražnjenja IEC1000 gotovo 5 puta veća od struje HBM za isti ESD napon. Nadalje, IEC1000 koristi metode kontaktnog pražnjenja i zračnog pražnjenja za testiranje opreme. Standard definira ESD napon kontaktnog pražnjenja od 2 kV do 8 kV, a zračni kontakt može doseći 15 kV. Imajte na umu da je vrijeme porasta struje određeno prema IEC1000 manje od 1ns, što zahtijeva vrlo brz odgovor zaštitnog uređaja (Slika 2). Iz istog razloga, raspored ploče je kritičan za postizanje ESD zaštite za sustav.
Metode zaštite Ako se žele ispuniti zahtjevi za zaštitu od ESD-a IEC1000-4-2, oprema za bežičnu komunikaciju treba odgovarajuću zaštitu. Područja koja korisnik dodiruje, kao što su gumbi i I/O portovi, osjetljiva su na ESD i stoga zahtijevaju zaštitu. Jednostavna tehnika je postavljanje kondenzatora na komunikacijske linije za apsorbiranje ESD impulsa, što smanjuje brzinu signala i povećava potrošnju struje pogona. Na ploči se može koristiti iskrište. Iskrište je dizajnirano da se osigura tijekom ESD impulsa, a struja se usmjerava u zemlju. Međutim, ova tehnologija zauzima veliki prostor i uzrokuje nepouzdanu ESD zaštitu nakon starenja. MOV (metaloxidevaristor) uređaji mogu se isključiti pri visokim naponima i mogu se koristiti u aplikacijama sa sporim vremenom odziva. Međutim, njihova glomaznost i veliki kapacitet čine ih neprikladnima za zaštitu signalnih vodova, a dodatni nedostatak je njihova karakteristika starenja.
Za Zener diode, iako sposobne stezati velike struje pri danom naponu, one proizvode parazitske kapacitete koji nisu potrebni za zaštitu signalnih linija. Nasuprot tome, brze diode niskog kapaciteta spojene na masu i struju dobro su rješenje. Mogu podnijeti velike vršne struje, imaju male povratne struje curenja i mogu izdržati višestruke ESD udare bez oštećenja; uspješno odvodi ESD impulse od osjetljivih zaštitnih uređaja i ima dug životni vijek. Međutim, potreban je jedan par dioda po zaštitnoj liniji. Unatoč niskoj cijeni po uređaju, ukupni trošak instalacije i potreban prostor čine split rješenje neprikladnim.
Na primjer, 17 parova dioda potrebno je za zaštitu IEEE-1284 paralelnog priključka. Integracija različitog broja parova dioda u jednom pakiranju rezultira optimalnim troškovno učinkovitim rješenjem.
Princip ESD zaštite integriranog diodnog zaštitnog mrežnog polja dioda vrlo je jednostavan. Par dioda spojen na napajanje i uzemljenje dodaje se zaštićenom signalnom vodu. Tijekom normalnog rada, ove diode imaju obrnuti prednapon, ali prednapon se javlja kada je napon na signalnoj liniji veći ili niži od napona na odgovarajućem terminalu. Prednapon se javlja tijekom ESD impulsa, kada dioda povlači struju u izvor napajanja ili uzemljenje, napuštajući zaštićeni uređaj, koji je izložen samo malom naponskom i strujnom udaru.
Budući da su I/O pinovi integriranog kruga dizajnirani da izdrže 2kV HBMESD napone, zaštićeni uređaj može izdržati ovu energiju, međutim to postavlja strože zahtjeve za vanjsku diodnu mrežu. Prema metodi IEC1000-4-2, ove mreže moraju biti otporne na "kontaktno pražnjenje" od 8kV. Nadalje, također treba stezati napon iza sebe kako se integrirani krugovi ili drugi pasivni uređaji ne bi oštetili. Konačno, kako se ne bi pogoršala izvedba signala, ukupni kapacitet para dioda trebao bi biti manji od 5pF.
Budući da bežične aplikacije obično zahtijevaju male pakete, zaštitni uređaji moraju biti upakirani u SOT, MSOP i QSOP pakete, koji su konkurentniji od diskretnih rješenja (Slika 3).
Optimiziranje ESD zaštite mora obratiti pozornost na dizajn i ugradnju tiskane ploče. Najprije smanjite parazitni induktivitet između ulazne točke ESD impulsa i zaštitne mreže diode (Slika 4). Parazitni induktivitet će se oduprijeti brzim promjenama u ESD pulsnoj struji, dopuštajući ESD struji koja ulazi u diodnu mrežu da teče u zaštićeni uređaj. U tom pogledu, dizajner bi trebao postaviti diodnu mrežu između induktora i zaštićenog uređaja, što poboljšava učinak ESD zaštite na dva načina: induktor se opire brzim promjenama struje i širi se tijekom vremena, smanjujući vršnu struju; ESD Impulsi su prisiljeni prvi proći kroz diodnu mrežu, a samo mali dio impulsa ulazi u sljedeće uređaje.
Slijede bežična esd tipkovnica, bežični esd miš, bežična esd narukvica:
