ESD-beskyttelse for trådløse design
Elektrostatisk utladning (ESD) er den plutselige, ukontrollerte frigjøringen av statisk elektrisk energi. Denne utladningen av elektrisk energi kan skade sensitive integrerte kretser, og designere av trådløse system må være oppmerksomme på ESD.
Produsenter av trådløse system utvikler strengere ESD-spesifikasjoner, noe som gjør oppgaven til kretskortdesignere vanskeligere. Det finnes en rekke forskjellige ESD-standarder, noe som kompliserer designarbeidet. Vi tar for oss de to vanligste internasjonale standardene: menneskekroppsmodell HBM (humanbodymodel) og IEC1000-4-2. Den første standarden simulerer kontaktforhold og brukes på enheten; den andre standarden brukes for ESD-beskyttelse på systemnivå.
ESD-beskyttelse for trådløse design står overfor spesielle utfordringer. Det finnes ulike teknikker for ESD-beskyttelse, hver med sine egne fordeler og ulemper. For trådløse design favoriserer ytelse, kretsplass, vekt, strømforbruk og kostnader imidlertid bruken av integrerte diodebeskyttelsesnettverk.
Videre vil vi diskutere hvordan du bruker diodenettverket for å oppnå den beste ESD-beskyttelsesytelsen. Optimal ytelse er nært knyttet til utformingen av kretskortet for å sikre at ESD-strømmer kan komme inn i beskyttelsesenheten uten å skade de følsomme integrerte kretsene. I tillegg bør bruken av diodebeskyttelsesnettverk ta hensyn til systemets strømavbruddsproblem. Til slutt er det ingen enkel måte å relatere ESD-beskyttelsesytelsen til en enhet til beskyttelsesytelsen til et system, men å spesifisere en klemspenning for å beskytte enheten er en effektiv måte å koble de to på.
ESD-standarden HBMESD-testen brukes vanligvis for integrerte kretser, mens IEC1000 definerer ESD-testen av systemet. Begge bruker utladnings-ESD-modellen av kondensatorer som går gjennom strømbegrensende motstander (figur 1). Forskjellen er størrelsen på enhetsverdien. For HBM er kondensatorverdien 100pF og strømbegrensningsmotstanden er 1500Ω. Merk at topputladningsstrømmen til IEC1000 er nesten 5 ganger høyere enn for HBM for samme ESD-spenning. Videre bruker IEC1000 kontaktutladning og luftutladningsmetoder for å teste utstyr. Standarden definerer ESD-spenningen for kontaktutladning som 2kV til 8kV, og luftkontakten kan nå 15kV. Merk at gjeldende stigetid spesifisert av IEC1000 er mindre enn 1 ns, noe som krever en veldig rask respons fra beskyttelsesenheten (Figur 2). Av samme grunn er kortlayout avgjørende for å oppnå ESD-beskyttelse for et system.
Beskyttelsesmetoder Hvis ESD-beskyttelseskravene til IEC1000-4-2 skal oppfylles, trenger trådløst kommunikasjonsutstyr riktig beskyttelse. Brukerberørte områder, som knapper og I/O-porter, er utsatt for ESD og krever derfor beskyttelse. En enkel teknikk er å plassere kondensatorer på kommunikasjonslinjene for å absorbere ESD-pulser, noe som reduserer signalhastigheten og øker drivstrømforbruket. En sparkgap kan brukes på brettet. Gnistgapet er designet for å smelte sammen under ESD-pulsen, og strømmen blir shuntet ned i bakken. Imidlertid tar denne teknologien stor plass og forårsaker upålitelig ESD-beskyttelse etter aldring. MOV-enheter (metaloxidevaristor) kan slås av ved høye spenninger og kan brukes i applikasjoner med langsomme responstider. Imidlertid gjør deres voluminøse og store kapasitans dem uegnet for å beskytte signallinjer, og en ekstra ulempe er deres aldringsegenskaper.
For Zener-dioder, selv om den er i stand til å klemme store strømmer ved en gitt spenning, produserer den parasittiske kapasitanser som ikke er nødvendige for å beskytte signallinjene. Derimot er raske dioder med lav kapasitans koblet til jord og strøm en god løsning. De kan håndtere store toppstrømmer, har små omvendte lekkasjestrømmer og tåler flere ESD-angrep uten skade; den leder ESD-pulser bort fra sensitive beskyttelsesenheter og har lang levetid. Det kreves imidlertid ett diodepar per beskyttelseslinje. Til tross for den lave prisen per enhet, gjør den totale installasjonskostnaden og nødvendig plass en delt løsning uegnet.
For eksempel kreves 17 diodepar for å beskytte IEEE-1284 parallellporten. Integrering av forskjellige antall diodepar i en enkelt pakke resulterer i en optimal kostnadseffektiv løsning.
ESD-beskyttelsesprinsippet til det integrerte diodebeskyttelsesnettverkets diodearray er veldig enkelt. Et diodepar koblet til strømforsyningen og jord legges til den beskyttede signallinjen. Under normal drift er disse diodene omvendt forspent, men forspenning oppstår når spenningen på signallinjen er henholdsvis høyere eller lavere enn spenningen på den tilsvarende terminalen. Forward bias oppstår under en ESD-puls, når dioden trekker strøm inn i strømforsyningen eller jord, og etterlater den beskyttede enheten, som bare utsettes for et lite spennings- og strømstøt.
Siden integrerte krets I/O-pinner er designet for å tåle 2kV HBMESD-spenninger, kan den beskyttede enheten motstå denne energien, men dette stiller strengere krav til det eksterne diodenettverket. I henhold til metoden til IEC1000-4-2 må disse nettverkene motstå "kontaktutladning" på 8kV. Videre må den også klemme spenningen bak den slik at integrerte kretser eller andre passive enheter ikke blir skadet. Til slutt, for ikke å forringe ytelsen til signalet, bør den totale kapasitansen til diodeparet være mindre enn 5pF.
Siden trådløse applikasjoner vanligvis krever små footprint-pakker, må beskyttelsesenheter pakkes i SOT-, MSOP- og QSOP-pakker, som er mer konkurransedyktige enn diskrete løsninger (figur 3).
Optimalisering av ESD-beskyttelse må ta hensyn til design og installasjon av kretskortet. Minimer først den parasittiske induktansen mellom ESD-pulsinngangspunktet og diodebeskyttelsesnettverket (Figur 4). Den parasittiske induktansen vil motstå raske endringer i ESD-pulsstrømmen, slik at ESD-strømmen som kommer inn i diodenettverket kan strømme inn i den beskyttede enheten. I denne forbindelse bør designeren plassere diodenettverket mellom induktoren og den beskyttede enheten, noe som forbedrer ESD-beskyttelsesytelsen på to måter: induktoren motstår raske endringer i strøm og sprer seg over tid, og reduserer toppstrøm; ESD Pulsene tvinges til å passere gjennom diodenettverket først, og bare en liten brøkdel av pulsene kommer inn i påfølgende enheter.
Følgende er trådløst esd-tastatur, trådløs esd-mus, trådløs esd-håndleddsstropp:
