ESD ochrana pre bezdrôtové dizajny
Elektrostatický výboj (ESD) je náhle, nekontrolované uvoľnenie statickej elektrickej energie. Tento výboj elektrickej energie môže poškodiť citlivé integrované obvody a dizajnéri bezdrôtových systémov si musia byť vedomí ESD.
Výrobcovia bezdrôtových systémov vyvíjajú prísnejšie špecifikácie ESD, čo sťažuje úlohu dizajnérov dosiek plošných spojov. Existuje množstvo rôznych ESD štandardov, čo komplikuje dizajnové úsilie. Berieme do úvahy dva najbežnejšie medzinárodné štandardy: model ľudského tela HBM (model ľudského tela) a IEC1000-4-2. Prvý štandard simuluje kontaktné podmienky a aplikuje sa na zariadenie; druhý štandard sa používa na ochranu ESD na systémovej úrovni.
Ochrana ESD pre bezdrôtové dizajny čelí špeciálnym výzvam. Existujú rôzne techniky ochrany ESD, z ktorých každá má svoje výhody a nevýhody. Pri bezdrôtových dizajnoch však výkon, priestor obvodu, hmotnosť, spotreba energie a náklady – to všetko uprednostňuje použitie integrovaných sietí s diódovou ochranou.
Ďalej budeme diskutovať o tom, ako použiť diódovú sieť na dosiahnutie najlepšieho výkonu ochrany proti ESD. Optimálny výkon úzko súvisí s usporiadaním dosky plošných spojov, aby sa zabezpečilo, že ESD prúdy môžu vstúpiť do ochranného zariadenia bez poškodenia citlivých integrovaných obvodov. Okrem toho by použitie siete ochrany diódy malo venovať pozornosť problému s výpadkom napájania systému. Napokon, neexistuje jednoduchý spôsob, ako spojiť výkon ochrany ESD zariadenia s výkonom ochrany systému, ale špecifikácia upínacieho napätia na ochranu zariadenia je účinný spôsob, ako tieto dve zariadenia spojiť.
ESD štandard HBMESD test sa zvyčajne používa pre integrované obvody, zatiaľ čo IEC1000 definuje ESD test systému. Obidva používajú model výbojového ESD kondenzátorov prechádzajúcich cez odpory obmedzujúce prúd (obrázok 1). Rozdiel je vo veľkosti hodnoty zariadenia. Pre HBM je hodnota kondenzátora 100pF a odpor obmedzujúci prúd je 1500Ω. Všimnite si, že špičkový vybíjací prúd IEC1000 je takmer 5-krát vyšší ako prúd HBM pre rovnaké ESD napätie. Okrem toho IEC1000 používa metódy kontaktného výboja a výboja vzduchu na testovanie zariadení. Norma definuje ESD napätie kontaktného výboja ako 2kV až 8kV a vzduchový kontakt môže dosiahnuť 15kV. Všimnite si, že čas nábehu prúdu špecifikovaný v IEC1000 je menší ako 1ns, čo si vyžaduje veľmi rýchlu odozvu ochranného zariadenia (obrázok 2). Z rovnakého dôvodu je usporiadanie dosky rozhodujúce pre dosiahnutie ESD ochrany pre systém.
Metódy ochrany Ak majú byť splnené požiadavky IEC{0}} na ochranu proti ESD, bezdrôtové komunikačné zariadenie potrebuje náležitú ochranu. Oblasti, ktorých sa používateľ dotýka, ako sú tlačidlá a I/O porty, sú náchylné na ESD, a preto vyžadujú ochranu. Jednoduchou technikou je umiestnenie kondenzátorov na komunikačné linky na absorbovanie ESD impulzov, čo znižuje rýchlosť signálu a zvyšuje spotrebu prúdu pohonu. Na doske je možné použiť iskrisko. Iskrisko je navrhnuté tak, aby sa počas impulzu ESD roztavilo a prúd sa privádza do zeme. Táto technológia však zaberá veľký priestor a po starnutí spôsobuje nespoľahlivú ESD ochranu. Zariadenia MOV (metaloxidevaristor) môžu byť vypnuté pri vysokom napätí a môžu byť použité v aplikáciách s pomalým časom odozvy. Ich objemnosť a veľká kapacita ich však robí nevhodnými na ochranu signálnych vedení a ďalšou nevýhodou je ich starnutie.
Pre Zenerove diódy, hoci sú schopné zachytávať veľké prúdy pri danom napätí, vytvárajú parazitné kapacity, ktoré nie sú potrebné na stráženie signálnych vedení. Naproti tomu rýchle, nízkokapacitné diódy pripojené k zemi a napájaniu sú dobrým riešením. Zvládnu veľké špičkové prúdy, majú malé spätné zvodové prúdy a vydržia viacnásobné ESD zásahy bez poškodenia; úspešne odvádza ESD impulzy od citlivých ochranných zariadení a má dlhú životnosť. Na ochrannú linku je však potrebný jeden pár diód. Napriek nízkej cene za zariadenie, celkové náklady na inštaláciu a potrebný priestor robia splitové riešenie nevhodným.
Napríklad na ochranu paralelného portu IEEE-1284 je potrebných 17 párov diód. Integrácia rôznych počtov párov diód do jedného balenia vedie k optimálnemu a cenovo efektívnemu riešeniu.
Princíp ESD ochrany integrovaného sieťového diódového poľa ochrany diód je veľmi jednoduchý. K chránenému signálovému vedeniu je pridaný pár diód pripojený k napájaciemu zdroju a zemi. Počas normálnej prevádzky sú tieto diódy spätne predpäté, ale predpätie nastáva, keď je napätie na signálnom vedení vyššie alebo nižšie ako napätie na zodpovedajúcej svorke. Dopredné skreslenie nastáva počas impulzu ESD, keď dióda odoberá prúd do napájacieho zdroja alebo zeme, pričom opúšťa chránené zariadenie, ktoré je vystavené iba malému napäťovému a prúdovému šoku.
Keďže I/O kolíky integrovaného obvodu sú navrhnuté tak, aby odolali napätiu 2 kV HBMESD, chránené zariadenie túto energiu znesie, čo však kladie prísnejšie požiadavky na externú diódovú sieť. Podľa metódy IEC1000-4-2 musia tieto siete odolávať „kontaktnému výboju“ 8 kV. Ďalej tiež potrebuje zovrieť napätie za sebou, aby nedošlo k poškodeniu integrovaných obvodov alebo iných pasívnych zariadení. Nakoniec, aby sa nezhoršil výkon signálu, celková kapacita páru diód by mala byť menšia ako 5 pF.
Keďže bezdrôtové aplikácie zvyčajne vyžadujú malé balíky, ochranné zariadenia musia byť zabalené v balíkoch SOT, MSOP a QSOP, ktoré sú konkurencieschopnejšie ako samostatné riešenia (obrázok 3).
Optimalizácia ESD ochrany musí venovať pozornosť návrhu a inštalácii dosky plošných spojov. Najprv minimalizujte parazitnú indukčnosť medzi vstupným bodom impulzu ESD a sieťou ochrany diód (obrázok 4). Parazitná indukčnosť bude odolávať rýchlym zmenám v pulznom prúde ESD, čo umožní prúdu ESD vstupujúceho do siete diód prúdiť do chráneného zariadenia. V tomto ohľade by mal dizajnér umiestniť diódovú sieť medzi tlmivku a chránené zariadenie, čo zlepšuje výkon ESD ochrany dvoma spôsobmi: tlmivka odoláva rýchlym zmenám prúdu a šíri sa v priebehu času, čím sa znižuje špičkový prúd; ESD Impulzy sú nútené prejsť najprv cez sieť diód a len malá časť impulzov vstupuje do ďalších zariadení.
Nasledujú Bezdrôtová esd klávesnica, Bezdrôtová esd myš, Bezdrôtový esd remienok na zápästie:
