Z życia elektronika – #13 – Metody zabezpieczenia urządzeń przed wyładowaniami ESD

Na rozgrzewkę:

Świat elektroniki dąży do miniutaryzacji, układy scalone są coraz to mniejsze, a przy tym bardzo wydajne. Wraz ze wzrostem skomplikowania konstrukcyjnego stają się one podatniejsze na uszkodzenia. Częstym powodem uszkodzeń elementów/urządzeń elektronicznych są wyładowania elektrostatyczne, dlatego chcę Ci przedstawić samo zjawisko oraz sposoby zabezpieczeń. W jednym z poprzednich wpisów wspomniałem o wykonywaniu testów ESD, zaś w tym wpisie powiem więcej o zjawisku, ale przede wszystkim skupię się na sposobach ochrony urządzeń elektronicznych przed uszkodzeniami na skutek wyładowań.

Zakres wpisu:

  • Zjawisko ESD
  • Metody zabezpieczenia urządzeń przed ESD

Zjawisko ESD:

Pierwotną przyczyną występowania uszkodzeń na skutek wyładowań elektrostatycznych jest transfer ładunków pomiędzy ciałami naładowanymi różnoimiennie. W codziennym życiu najczęstszą przyczyną uszkodzenia urządzeń elektronicznych jest naładowane ciało człowieka, np. na skutek spaceru po dywanie. Stąd porównanie ciała ludzkiego do kondensatora (porównanie jest przedstawione na poniższym rysunku). Pojemność ciała waha się w okolicach 200 pF. Ciało ludzkie w ciągu kilku sekund może naładować się do wartości rzędu kilowoltów. Parametrami wyładowania elektrostatycznego są: maksymalna wartość napięcia, czas narastania (rzędu ns), opadania oraz polaryzacja (dodatnia lub ujemna w zależności od materiałów biorących udział w ładowaniu).

Uszkodzeniami jakie mogą występować na skutek wyładowania elektrostatycznego można podzielić na trzy grupy: nie powodujące trwałego uszkodzenia (utrata ramki danych w czasie komunikacji); uszkodzenie trwałe, wiążące się z wymianą urządzenia; oraz uszkodzenie, które w pierwszej chwilii nie jest widoczne, a ujawnia się w czasie funcjonowania urządzenia.

Metody zabezpieczenia urządzeń przed ESD

Na rynku istnieje kilka głównych urządzeń zabezpieczjących przed wyładowaniami, podczas wyboru należy uwzględnić następujące parametry: parametry maksymalne układu chronionego, częstotliwość pracy (należy dobrać element o odpowiedniej wartości pojemności), napięcie pracy, napięcie wyzwolenia, maksymalny prąd występujący podczas wyładowania, napięcie clampowania (czyli wartość napięcia za elementem zabezpieczającym, do której spadło wyładowanie), prąd upływu oraz cenę.

  • Elementy z kompozytu polimerów są znane pod hasłem VVM (Voltage Variable Material), czyli zmieniają swoją rezystancję na skutek zmiany wartości napięcia, działają analogowo do warystorów. Charakteryzują się bardzo szybkim czasem reakcji, niskim prądem upływu rzędu 0,01nA oraz niską pojemnością 0,05pF (dlatego mogą pracować z dużymi częstotliwościami). Zabezpieczają przed pulsami dodatnimi, jak i ujemnymi. Napięcie, przy którym VVM zmieniają się z elementów wysokoimpedancyjnych w stan przewodzenia, nazywa się napięciem wyzwolenia. Po ustąpieniu wyładowania element wraca do stanu wysokiej impedancji. Miejscami, gdzie stosuję się komponenty VVM, są obwody pracujące z wysokimi częstotliwościami do 5 GHz: linie komunikacyjne oraz obwody RF.
  • Warystory wielowarstwowe MLV (Multilayer Varistor): pod wpływem skoku napięcia ich rezystancja maleje zaczynając przewodzić prąd. Warystory warstwowe dzielą się na MLVA, ze standardową wartością pojemności, oraz MLVB z niską wartością pojemności. Stosowane w miejscach pracujących z częstotliwościami do 125 kHz, zaś MLVB mogą pracować powyżej tej wartości, chroniąc komponenty mniej podatne.
  • Diody TVS: zbudowane z dwóch diod lawinowych połącznonych anodami, w ten sposób zabezpieczają przed wyładowaniami dodatnimi, jak i ujemnymi. Wyładowanie ESD powoduje przejście diody w stan przewodzenia, zabezpieczając urządzenie. Diody TVS stosowane są w miejscach pracujących z częstotliwościami do GHz.
  • Kondensatory ceramiczne: stosowane jako zabezpieczenie przed ESD w obwodach pracujących z niskimi częstotliwościami, gdzie koszt pojedynczych komponentów jest bardzo ważny, kondensatory będą najtańszym rozwiązaniem. Dobór wartości kondensatora należy wykonać na podstawie specyfikacji testu ESD. Test ESD ma specyfikowaną wartość pojemności, która będzie rozładowywana oraz rezystancję szeregową. Rezystancja i pojemność jest zawarta w normach, są to elementy wymienne w pistoletach ESD nazywane sieciami rozładowczymi – Discharge Network. Podczas doboru kondensatora zabezpieczającego (Cprot) należy uwzględnić napięcie maksymalne kondensatora, aby nie uległ uszkodzeniu oraz napięcie maksymalne obwodu chronionego Uclamp.

Dobór kondensatora należy dobrać z zasady zachowania ładunku:

Korzystając z powyższego równania można wyliczyć wartość pojemności, jaka zabezpieczy układ do odpowiedniego napięcia Uclamp przy danych parametrach wyładowania (Cgun, Ugun).

Rzeczą wiążącą wszystkie wspomniane rozwiązania jest umiejscowienie ich na PCB. Powinny być one umieszczone w pierwszej kolejności, jak najbliżej pinów wejściowch, które mogą mieć kontakt z wyładowaniem.

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *