Что такое esd на материнской плате
Обновлено: 03.07.2024
Выводы интегральных микросхем, предназначенные для подключения к внешним цепям или периферийным устройствам, подвержены риску воздействия электростатических разрядов.
Электростатический разряд (electrostatic discharge - ESD) представляет собой передачу энергии между двумя телами с разными электростатическими потенциалами. Он может происходить как в результате прямого контакта, так и в результате пробоя атмосферы между телами.
Разряд вызывает протекание импульса тока через внутренние цепи микросхемы и может приводить к ее частичному или полному повреждению.
Для защиты микросхем от электростатического разряда применяют дополнительные электронные компоненты – резисторы, диоды, стабилитроны, TVS диоды или супрессоры, буферные микросхемы. Данная статья представляет собой краткий обзор этих компонентов и схем на их основе.
Самая простая схема защиты от электростатического электричества представляет собой резистор, включенный между источником заряда и выводом интегральной микросхемы.
Последовательное сопротивление вместе с паразитной емкостью входа микросхемы (а также емкостью монтажа) образует низкочастотный пассивный фильтр. Этот фильтр будет подавлять высокочастотную составляющую электростатического разряда, в которой сосредоточена большая часть его энергии. Кроме того резистор будет ограничивать ток, протекающий через внутренние защитные цепи микросхемы вследствие разряда.
R1 – защитный резистор 50 – 200 Ом; D1, D2 – внутренние защитные диоды; C1 – паразитная емкость входа
Чем выше значение сопротивления защитного резистора, тем лучшую защиту от ESD он будет обеспечивать. Естественно с ростом сопротивления резистора частота среза НЧ фильтра на входе микросхемы будет уменьшаться. Это нужно учитывать, если данный вход используется для ввода высокочастотного сигнала.
Многие интегральные микросхемы имеют встроенные защитные диоды. Как правило, эти диоды не рассчитаны на большие значения тока и имеют недостаточное быстродействие. Например, встроенные защитные диоды микроконтроллеров AVR выдерживают ток всего лишь в единицы миллиампер.
Перед тем как принять решение, требуется ли дополнительная схема защиты или можно ограничиться встроенной, внимательно изучите спецификацию на микросхему. Хотя данных на диоды или выдерживаемое напряжение разряда в спецификации может и не быть.
Схема на диодах будет ограничивать входное напряжение в пределах от – Vd до Vcc + Vd, где Vd – падение напряжения на диоде в прямом направлении. Ток разряда будет проходить или через верхний или через нижний диод, и «поглощаться» фильтрующими конденсаторами, источником питания и самими диодами. Иногда для дополнительной защиты между плюсом питания и «землей» подключают стабилитрон или TVS диод (D3 на схеме).
Если вход микросхемы используется для ввода высокочастотного сигнала, следует принимать во внимание тот факт, что диоды вносят дополнительную паразитную емкость. Величину паразитной емкости можно найти в спецификации на элемент.
Традиционно стабилитрон применяется для получения стабилизированного (опорного) напряжения, но его также можно использовать для защиты входов интегральных микросхем от ESD, подключив между выводом микросхемы и «нулем» питания. Такая схема будет ограничивать напряжение на входе микросхемы в пределах от –Vd до Vs, где Vd – падение напряжения на стабилитроне в прямом направлении, а Vs – номинальное напряжение стабилизации.
Чтобы стабилитрон не оказывал влияние на работу схемы в штатном режиме, номинальное напряжение стабилизации должно быть выше напряжения входного сигнала.
Стабилитроны имеют большую емкость (десятки пФ) и поэтому плохо подходят для защиты высокоскоростных линий.
TVS (transient voltage supressor) диод – это полупроводниковый компонент, предназначенный для ограничения выбросов напряжений, амплитуда которых превосходит напряжение лавинного пробоя диода.
В нормальных условиях TVS диод находится в высокоимпедансном состоянии. Когда напряжение на диоде превышает рабочее, импеданс диода понижается, и ток разряда начинает течь через него. При понижении напряжения на TVS диоде он снова возвращается в высокоимпедансное состояние.
Вольтамперная характеристика TVS диода аналогична характеристике стабилитрона, поэтому их иногда путают друг с другом. На самом деле это разные приборы. TVS диоды были разработаны специально для защиты цепей от импульсов перенапряжения, в то время как стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения и не рассчитаны выдерживать значительные импульсы тока .
TVS диоды имеют высокое быстродействие, низкое рабочее напряжение и маленькую емкость, что делает их идеальными компонентами для защиты полупроводниковых компонентов от электростатического разряда.
Еще один вариант защиты входов/выходов интегральных микросхем от электростатического разряда — это использование буферных микросхем. Например, изображенный на схеме двунаправленный буфер 74ACTH245 согласно своей спецификации способен выдерживать электростатические разряды от 200 до 2000 вольт в зависимости от используемой модели разряда.
Нарастание электростатического разряда (ESD) происходит менее чем за наносекунду. А повреждения электронным устройствам при этом он способен нанести значительные. Как применить широкий спектр выпускаемых компанией Littelfuse устройств защиты от ESD (многослойные варисторы, диодные сборки, полимерные супрессоры) для защиты, к примеру, различных интерфейсов передачи данных?
Электростатическим разрядом (ESD – Electro Static Discharge) называется передача электрического заряда между любыми двумя объектами. Наиболее распространенной причиной является трение между двумя разнородными материалами, вызывающее накопление электрических зарядов на их поверхностях. Как правило, одной из поверхностей является человеческое тело. Типичным примером этого является статический разряд, который человек испытывает после прогулки по ковру при последующем прикосновении к металлическому объекту. Разряд сопровождается болезненным ощущением в точке контакта и, как правило, сопровождается небольшими искрами и щелчками, при этом величина потенциала может достигать 15 кВ. И если разряд в 6 кВ является болезненным для человека, то более низкие значения хоть и могут остаться незамеченными, но все же способны вызвать необратимые повреждения электронных компонентов и схем или привести к скрытым дефектам, которые проявят себя позже во время эксплуатации. Таким образом, ESD представляют серьезную угрозу для электронных схем и требуют применения определенных средств для уменьшения или устранения их воздействия.
Отличием ESD от других переходных процессов, таких как переключения, различные коммутационные замыкания и прочее, является очень короткое время переходного процесса: нарастание электростатического разряда происходит менее чем за 1 наносекунду, в то время как время достижения пика у большинства наиболее типичных переходных процессов составляет более 1 микросекунды.
Стандарты ESD
На сегодняшний день существует несколько стандартов по защите от ESD, которые чаще всего используют производители: EN100015, EN61340-5-1 и ANSI/ESD 20:20. Стандарт EN61340-5-1 сейчас вытеснил EN100015 и является основным стандартом в Европе. Стандарт ANSI/ESD 20:20 используется в основном в Северной Америке. Многие производители работают как с EN61340-5-1, так и с ESD20: 20 (оба стандарта в значительной степени совместимы), а иногда пользуются и другими стандартами.
В РФ действуют стандарты, утвержденные Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии и разработанные в 2009 году на базе EN61340-5-1 российским техническим комитетом ТК072 «Электростатика». Это ГОСТ Р 53734.5.1-2009 «Электростатика. Часть 5-1: Защита электронных устройств от электростатических явлений. Общие требования» и ГОСТ Р 53734.5.2-2009 «Электростатика. Часть 5-2: Защита электронных устройств от электростатических явлений. Руководство пользователя».
Основной перечень рекомендуемых международных стандартов (IEC – International Electrotechnical Commission) приведен в таблице 1 [1].
Таблица 1. Рекомендуемые международные стандарты
Защита от ESD
В современном производстве интегральные схемы изготавливаются с различными уровнями защиты от статического электричества. Примерами таких микросхем с защитой от ESD могут быть различного назначения микропроцессоры, USB-приемопередатчики, микрочипы видеографики и другие, которые используются в компьютерах и их периферийных устройствах, мобильных телефонах, КПК, ЖК-дисплеях, в сетевом оборудовании и другой электронной технике.
При этом различают два уровня защиты: от пробоя в производственной среде и при использовании в конечном изделии.
Типичный максимальный уровень защиты от ESD в современных микросхемах равен 2000 В, что является достаточным при производственном процессе изготовления микросхем. При этом накладываются определенные требования на влажность воздуха в производственном помещении, ионизацию, заземление, необходимость персонала носить антистатические одежды. При правильном применении этих процедур обеспечивается высокая защита микросхем от воздействия ESD.
Рис. 1. Воздействие ESD на микросхему при а) отсутствии и б) наличии защиты от ESD
Однако, как только конечный продукт (компьютер, КПК, принтер и так далее) будет введен в эксплуатацию, он будет подвергаться воздействию уровней ESD, более высоких, чем те, которыми испытывали компонент в производственной среде. C увеличением на микросхеме средств защиты от электростатического разряда ее живучесть увеличивается, однако платой за это является уменьшение свободного места для функциональной схемы или необходимость увеличения размеров микросхемы, что является нежелательным, с учетом постоянной тенденции на миниатюризацию изделий электронной техники. В этом случае потребуется использование дополнительных средств защиты изделия от воздействия ESD (рисунок 1). Эти устройства дополняют встроенные возможности электрозащиты микросхем таким образом, чтобы конечный продукт мог надежно функционировать после воздействия больших уровней электростатических разрядов.
Решения Littelfuse для защиты от ESD
Для защиты от статического электричества устройство подавления должно иметь очень быстрое время отклика, а также возможность повторно обрабатывать высокие пиковые напряжения и токи в течение короткого времени.
Одним из лидеров на рынке изделий защиты от ESD является компания Littelfuse, которая уже более 80 лет занимается исследованием проблем защиты цепей в различных отраслях и приложениях.
Littelfuse предлагает три семейства устройств, которые используются для подавления ESD:
- керамические многослойные варисторы MLV (Multilayer Varistors);
- SPA (Silicon Protection Arrays) – кремниевые диодные сборки серий SP72x и SP050x;
- супрессоры на основе полимеров PulseGuard.
Эти технологии позволяют эффективно защищать чувствительную схему от внешних электростатических воздействий (например, создаваемых пользователями). Кроме того, варисторы MLV и сборки SP72x могут также защитить системы от выбросов мощных переходных процессов, а также скачков, вызванных воздействиями молний.
Рис. 2. Диаграмма работы средств защиты от ESD
Компоненты Littelfuse защищают цепи на входе сигнала до безопасного выбранного уровня – 3,3, 6, 12 В постоянного тока (рисунок 2). Энергия, которая должна была попасть в цепь и навредить ее компонентам, рассеивается на ESD-супрессорах и источнике ESD.
Многослойные варисторы
Рис. 3. Конструкция MLV
Компоненты MLV (Multilayer Varistors) состоят из чередующихся слоев металлических электродов и керамики или оксида цинка (рисунок 3).
Керамика из оксида цинка в обычных условиях служит как изолятор. Однако, когда напряжение повышается (как в случае ESD), выводы оксида цинка переходят от высоких к низким значением сопротивления и этим шунтируют защищаемую линию на землю (рисунок 1б).
Новое семейство продуктов MLV серии MHS имеет значения емкостей 3, 12 и 22 пФ и может быть использовано в цепях с большой скоростью передачи данных (примерно до 125 Мбит).
Диодные сборки SPA (Silicon Protection Arrays). Серия SP72x
Рис. 4. Схема SP72x
Сборки семейства SP72x состоят из нескольких ячеек диодов (на рисунке 4 такая ячейка выделена синим цветом), которые соединяются с уровнями V+ или V- и выполняют функции переключателей. При подаче на вывод 1 положительного напряжения, превышающего 0,7 В, оно закорачивается на V+ – контакт 5, при подаче отрицательного напряжения ниже 0,7 В на цепь V- – контакт 2. Таким образом происходит шунтирование защищаемых линий (контакты 1, 3, 4, и 6 на рисунке 4) на V+ или V-.
Рис. 5. Диодная сборка SP05x
Серия SP05xx – TVS-лавинные диоды
Cборки семейства SP050x состоят из нескольких TVS-диодов (Transient Voltage Suppressor) (на рисунке 5 выделен синим цветом), которые шунтируют цепь к общему проводу V-. Проще говоря, диоды функционируют как переключатели – когда в цепи 1 уровень сигнала превышает напряжение пробоя диода, сигнал шунтируется на V-.
PulseGuard-супрессоры
Супрессоры PulseGuard изготавливаются путем создания разрыва в электроде, что приводит к отсутствию протекания тока в цепи (рисунок 6). В промежутке применяется специальный материал VVM (Voltage Variable Material) на основе полимеров, который по параметрам близок к рассмотренной выше MLV-керамике из оксида цинка. В нормальных условиях VVM работает как изолятор, но при возникновении ESD материал VVM становится проводником и шунтирует ESD на общий провод.
Рис. 6. Структура PulseGuard-супрессора
Сравнение всех трех технологий Littelfuse приведено в таблице 2.
Таблица 2. Сравнение технологий Littelfuse
Выбор компонентов Littelfuse в зависимости от области применения и скорости передачи данных приведен на диаграмме (рисунок 7). Здесь показана взаимосвязь между скоростью передачи данных, областью применения и применяемым продуктом Littelfuse ESD.
Рис. 7. Диаграмма применения компонентов Littelfuse
В верхней части диаграммы показаны скорости передачи данных, а также стандартные протоколы. В нижней части – возможные приложения. В основной части показаны области применения супрессоров Littelfuse для защиты от ESD.
Важным параметром здесь выступает емкость подавителя. Большие значения емкости с увеличением частоты сигнала будут приводить к его искажению. При низких значениях емкостей, даже при высоких частотах, искажения сигнала не будет.
Следует обратить внимание, что некоторые приложения могут использовать несколько различных протоколов и, соответственно, в качестве подавителя ESD могут быть применены различные изделия производства Littelfuse. Например, портативный компьютер может иметь RS-232, USB 2.0, видео-, PS2-порт и другие. В RS-232 и PS2-порте используются сравнительно медленные скорости передачи данных, поэтому там можно применять любой подавитель ESD от Littelfuse (хотя здесь предпочтительнее высокоемкостные MLV и SPA). На супрессор для видеопорта уже накладываются требования по поддержке большой скорости передачи данных – здесь лучше подойдут PulseGuard или SPA.
Таблица 3. Характеристика компонентов SPA
Таблица 4. Характеристика компонентов PulseGuard
Таблица 5. Характеристика компонентов MLV
Примеры применения компонентов производства Littelfuse для ESD-защиты
Как отмечалось выше, при увеличении скорости передачи данных для сохранения целостности сигнала необходимо особое внимание уделять значениям емкости супрессоров. Например, для аудиопортов и портов мыши на большинстве ПК используются относительно медленные скорости передачи данных, где емкость подавителя ESD не очень важна. При увеличении скорости передачи данных (например, USB 3.0, Gigabit Ethernet, HDMI, и так далее) рабочий сигнал более чувствителен к вносимой в линию паразитной емкости. В настоящее время единственным решением, способным сохранить целостность сигнала и обеспечить очень низкие напряжения на фиксирующих зажимах, является применение компонентов защиты производства Littelfuse. При этом важно также учитывать и другие ключевые характеристики: ток утечки, количество линий защиты и прочие. В дополнение к выбору идеального устройства защиты цепи важно установить устройство в наиболее подходящем месте для обеспечения эффективной защиты от электростатического разряда. Выбранный подавитель должен быть размещен как можно ближе к разъему или кнопке (переключателю). Кроме того, супрессор должен быть установлен как можно ближе, насколько это возможно, и к линии передачи данных (сигнала). Это позволит устранить возможности индуктивного выброса пикового напряжения, что может привести к повреждению схемы, даже при том, что само устройство защиты, возможно, было выбрано правильно.
Ниже приведены примеры применения компонентов Littelfuse на примере SPA-устройств для нескольких интерфейсов: RS-485/Ethernet/CAN bus/SIM Socket/USB 2.0.
Защита интерфейса RS-485
Для однополярного питания с напряжением до 6 В лучше подходят:
- серия SP1001 – только для защиты от ESD;
- серия SP03 – дополнительная защита от молнии и импульсных перенапряжений.
Для биполярного сигнала с максимальным напряжением ± 3 В можно использовать:
- серии SP1002 или SP1004 – защита только от электростатического разряда;
- серия SP03 – дополнительная защита от молнии и импульсных перенапряжений.
Рис. 8. Защита интерфейса RS-485
Схема применения показана на рисунке 8, а параметры компонентов представлены в таблице 6.
Таблица 6. Рекомендуемые компоненты SPA
Защита интерфейса Ethernet
Как правило, Ethernet нужно защищать только от ESD, а не от молнии и мощных переходных процессов. Паразитную емкость следует учитывать, особенно в 1GbE.
Для защиты четырех линий передачи данных (Tx± и Rx±) и для защиты от электростатического разряда лучше подходят низкоемкостные SP3002.
Для 1000 Мбит Ethernet (требует восемь каналов защиты для четырех дифференциальных пар) лучше подойдет SP3003-08ATG.
Рис. 9. Защита интерфейса Ethernet
Схема применения показана на рисунке 9, а параметры рекомендуемых компонентов приведены в таблице 7.
Таблица 7. Рекомендуемые компоненты SPA
Защита интерфейса CAN
Большинство приложений с применением интерфейса CAN реализовывается на базе двух сигнальных линий – CANH и CANL. В зависимости от длины кабеля, скорость передачи данных может варьироваться от 10 кбит до 1 Мбит. Рабочее напряжение в интерфейсе CAN не превышает уровня 5 В. Однако перед использованием рекомендованных ниже устройств каждое приложение должно быть тщательно оценено.
- серия SP1001 – только для защиты от статического разряда;
- серия SP03 серии – дополнительная защита от молнии и импульсных перенапряжений.
Для дифференциальной защиты между CANH и CANL провод GND может быть удален из приведенных ниже схем.
Рис. 10. Защита интерфейса CAN
Схема применения показана на рисунке 10, а рекомендуемые компоненты представлены в таблице 8.
Таблица 8. Рекомендуемые компоненты SPA
Защита интерфейса SIM Socket
SIM-карта (модуль идентификации абонента) имеет три линии низкоскоростной передачи данных с низким уровнем напряжений. Учитывая это, выбор емкости не является существенным.
Рис. 11. Защита интерфейса SIM Socket
Схема применения показана на рисунке 11, а параметры рекомендуемых компонентов представлены в таблице 9.
Таблица 9. Рекомендуемые компоненты SPA
Защита интерфейса USB 2.0
Каждый порт USB 2.0 может работать со скоростью до 480 Мбит. Высокая скорость передачи данных требует низкого значения вносимой емкости для сохранения целостности сигнала. Требуется два канала защиты линий передачи данных (D±), которые можно осуществить с помощью сборки или дискретно, например, с помощью четырехканальной сборки SP3002-04 либо с помощью отдельных одноканальных устройств, например, SP1003.
Рис. 12. Защита интерфейса USB 2.0
Схема применения показана на рисунке 12, а параметры рекомендуемых компонентов можно посмотреть в таблице 10.
Таблица 10. Рекомендуемые компоненты SPA
Заключение
Правильно выбранное устройство защиты от ESD и прочих перенапряжений, должным образом размещенное в схеме, дает ряд преимуществ, начиная с повышенной надежности конструкции заканчивая низкими расходами на гарантийное обслуживание. Компания Littelfuse предлагает множество продуктов и решений, которые смогут удовлетворить различные требования разработчика. Детальнее выбор компонентов можно произвести с учетом информации на сайте компании или заказать у прямого дистрибьютора – КОМПЭЛ.
Литература
SP05: TVS-сборки Littelfuse для защиты от ESD уровня 30 кВ
Кремниевые защитные сборки SPA® (Silicon Protection Array) производства компании Littelfuse представляют собой интегрированную структуру на основе нескольких TVS-диодов в одном корпусе. Данные сборки предназначены для защиты электроники от очень быстрых и высоковольтных разрядов с крутым фронтом, вызванных последствиями молний или электростатических разрядов (ESD). Они представляют собой идеальное решение для защиты чувствительных линий интерфейсов, цифровых и аналоговых сигналов уровня 5 В в промышленной и потребительской электронике.
Серия сборок SP05 семейства SPA® представляет собой 2, 3, 4, 5 и 6-канальные матрицы TVS-диодов, выполненные в миниатюрных SMD-корпусах (SOT23-3, SC70-3, SOT143-4, SOT23-5, SC70-5, SOT23-6, SC70-6 и MSOP-8). Данные сборки предназначены для защиты от ESD уровня 30 кВ и обеспечивают соответствие требованиям следующих стандартов:
- IEC 61000-4-2, контактный разряд 30 кВ (уровень 4);
- IEC 61000-4-2, воздушный разряд 30 кВ (уровень 4);
- MIL STD 883 3015.7 30 кВ
Мы все хорошо знакомы с электростатическим разрядом ESD (electrostatic discharge). Электростатический разряд иногда доставляет нам лишь неприятные ощущения, но для современных полупроводниковых приборов и компонентов несет смертельную опасность. Современный уровень развития микроэлектроники достиг невероятной плотности активных элементов в кристалле. Так, процессоры могут содержать сотни миллионов транзисторов.
При такой высокой степени интеграции современные компоненты и электронные устройства становятся очень чувствительными к электростатическим разрядам. Как признано ведущими производителями микроэлектроники, ежегодно теряются миллионы долларов из-за недостаточного соблюдения мер предосторожности от воздействия статического электричества. Известен факт, что после внедрения на производстве программы ESD-контроля, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза!
К сожалению, приходится отметить, что многие отечественные производители микроэлектронных устройств, сервисные службы по обслуживанию телекоммуникационных систем и т. д. не применяют мер защиты от ESD в процессе работы. На первый взгляд кажется, что при прикосновении к электронной плате ничего не происходит, но разряд от руки человека может представлять смертельную опасность для микросхемы.
Человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В! При этом разряда, который возникает при напряжении менее 3000 В, человек вообще не ощущает. Для некоторых современных микросхем потенциал в 30 В является смертельным.
Часто повреждение материалов, обусловленных электростатическим разрядом, не приводит к мгновенному выходу из строя электронного устройства, но, по истечении некоторого времени, устройство неожиданно выходит из строя. Это говорит о том, что в результате разряда могло произойти частичное разрушение тончайших элементов микросхемы. Вероятность ее выхода из строя в ближайшем будущем резко возрастает. Все это приводит к дополнительным материальным затратам на устранение неисправности, браку, гарантийному ремонту и, в конечном итоге, непременно скажется на торговой марке производителя.
Что же представляет собой современное производство, оборудованное средствами ESD-защиты?
Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие и, без сомнения, соблюдение мер по защите от электростатических разрядов на протяжении всего производственного цикла — от доставки комплектующих до отправки готовых изделий. Нарушение цепочки в каком-либо месте делает бессмысленным все затраты на обеспечение ESD-защиты.
ESD в переводе означает Electrostatic Discharge, т. е. электростатический разряд. Он происходит в момент уравнивания разности потенциалов между двумя проводниками, и может необратимо повредить чувствительные электронные схемы. В этой статье приведены причины возникновения ESD и способы защиты от него (использовался перевод статей [1, 2]).
[Откуда берется ESD?]
Статическое электричество представлено дисбалансом положительного и отрицательного зарядов, которые могут накапливаться на поверхности объекта.
Простой электроскоп, показывающий наличие статического электричества (автор D. Mohan Kumar):
Неожиданное перетекание зарядов при уравнивании потенциалов называется электростатическим разрядом (ElectroStatic discharge, ESD), и это событие может негативно повлиять на работоспособность электронных схем, особенно тех, которые используют полевые транзисторы (FET, MOSFET), микросхемы CMOS и микропроцессоры. Однако не стоит успокаиваться тем, кто применяет биполярные транзисторы и микросхемы TTL. На своей практике я помню несколько случаев выгорания логики серии К155 от статического электричества! Боятся статики все компьютерные компоненты - карты SD, жесткие диски, платы расширения PCI, мониторы.
ESD визуально наблюдается как синяя искра, между поверхностями токопроводящих объектов. Иногда эту искру можно не заметить, но все равно электрический разряд потенциально может повредить чувствительные полупроводники. Статическое электричество чаще всего накапливается в сухом климате, особенно в зданиях централизованного отопления, и особенно частот рядом с фотокопировальными машинами (ксероксами). Статический заряд может быть очень значительным в помещении с низкой влажностью, когда техника кондиционирования работает не надлежащим образом. Обычно отрицательный заряд накапливается возле пола, а положительный на некоторой высоте от него. Устранение статических зарядов может быть реализовано с помощь ионизации и увлажнения воздуха, а также правильно организованной вентиляции.
Тело человека. Ваше тело не только проводник электростатики, оно настоящий генератор ESD. Помните игру в школе, когда Вам установили новую мебель, и обнаружилось, что когда елозишь попой на стуле, тело электризуется? Можно было подойти к однокласснику и испугать его прикосновением разряда ESD. Иногда при этом можно было заметить искру электрического разряда! Конечно, такой разряд не сулит электронике ничего хорошего.
Обе ваши руки электрически соединены друг с другом, и можно безопасно перекладывать электронные компоненты из одной руки в другую. Однако реальная проблема возникает при передаче электроники от одного человека к другому, а также когда человек, который держит в руке плату, пытается установить её в какой-либо электронный прибор.
Питающая сеть 220V. Питающая сеть также может создавать потенциалы напряжения, которые могут повредить электронику. Такое напряжение тоже часто относят к ESD, и оно также опасно.
Причина возникновения нежелательного потенциала кроется в наличии сетевых фильтров на стороне входа напряжения питающей сети 220V. Этими фильтрами оснащено практически любое электронное оборудование, получающее питание от сети - осциллографы, генераторы, частотомеры, мониторы, микроволновые печи, холодильники. Пример схемы сетевого фильтра:
Вот так могут выглядеть подобные сетевые фильтры снаружи и внутри:
Конденсаторы фильтра уменьшают проникновение высокочастотных помех из питающей сети в электронику и обратно. Однако тот факт, что они также соединяют сеть 220V с общей шиной (земля, GND) электронных приборов, может привести к проблемам, если общая шина по какой-то причине не заземлена. Обратите внимание на конденсаторы C3 и C4 в примере схемы фильтра. Эти конденсаторы создадут переменное напряжение около 110V между шасси питаемого устройства и шиной земли или нейтрали, если по какой-то причине точка соединения C3 и C4 не заземлена.
Почему при отсутствии заземления сетевой фильтр может создавать проблемы. Известно, что современные шнуры трехпроводные, и коннектор на шнуре имеет 3 контакта. Один провод и контакт специально выделен для заземления, он уравнивает шасси прибора с общим потенциалом. Вот так выглядит нормально работающая схема питания:
В этом примере показаны два устройства:
Устройство 1. Заземленный компьютер, где программист пишет и отлаживает программу.
Устройство 2. Разрабатываемый прибор, который питается от заземленного источника питания.
Программист отлаживает программу, передавая её через USB и адаптер JTAG в отлаживаемое устройство. Иногда программисту требуется перетыкать кабель JTAG. Если сетевые кабели 220v обеспечивают надежный контакт с землей, то обычно проблем не возникает. В момент подключения коннектора JTAG к отлаживаемому устройству они изначально имеют друг относительно с другом безопасный для электроники потенциал. Здесь земли обоих устройств GND1 и GND2 соединены через сетевую вилку, и поэтому коннекторы JTAG папа и мама получают друг относительно друга безопасный, близкий к нулю потенциал.
Но может возникнуть и опасная ситуация, когда по какой-то причине устройство 1 или устройство 2 (или даже они оба) не заземлены. Это обычная ситуация в случае некачественного сетевого кабеля, или если он подключен в розетку, которая не имеет заземления. Для примера предположим, что общий провод устройства 1 не соединен с землей. Тогда между контактами коннектора JTAG (он через USB подключен к компьютеру, т. е. устройству 1) и отлаживаемым устройством может образоваться опасное напряжение около 110V переменного тока:
Если по какой-то причине в момент подключения коннектора JTAG соединится не контакт земли, а сигнальный провод (любой из сигналов TCK, TDI, TDO, TMS) то через него потечет опасный ток, который может повредить как микроконтроллер, где отлаживается программа, так и адаптер JTAG.
Для устранения подобных ситуаций применяют выделенное, специально организованное соединение между землей компьютера и землей отлаживаемого устройства. Это самый простой и надежный способ. Также иногда дополнительно используют адаптеры JTAG с гальванической изоляцией интерфейса.
[Защита от ESD]
Вот несколько общих принципов защиты от ESD, по мере уменьшения их значимости. Они могут применяться как по отдельности, так и совместно, для усиления эффекта:
1. Предварительное уравнивание потенциалов в безопасной для электроники цепи.
2. Ограничение тока разряда с ограничением напряжения разряда на чувствительной цепи.
3. Изоляция.
Идеально организованное рабочее место, обеспечивающее защиту электроники от ESD:
Если Вы понимаете, как реализовываются эти принципы на практике, то дальше можно не читать, нужно только создать все условия, которые будут гарантировать минимум риска появления ESD и их вредного воздействия.
[Уравнивание потенциалов]
Вот меры, которые помогут снять потенциал ESD еще до того, как разряд доберется до электроники:
1. Поддержание в помещении оптимальной влажности, применение кондиционеров и ионизаторов воздуха.
2. Антистатическая обработка мебели и одежды.
3. Применение антистатических матов и браслетов на рабочем месте.
4. Заземление всего, что только возможно.
5. Поддержание в идеальном рабочем состоянии заземления питающей сети 220V и кабелей подключения к ней.
6. Антистатическая упаковка.
7. Соблюдение некоторых правил при передаче электроники с места на место.
8. Применение специальных коннекторов, обеспечивающих гарантированное первое подключение шины земли.
Несколько простых правил манипуляций с электронными компонентами, которые помогают защититься от ESD:
• Берите электронное устройство в руки (транзистор, микросхема, печатная плата, модуль) только после того, как будете уверены, что между этим электронным компонентом и Вами нет электрического потенциала. Уровнять потенциалы можно в безопасном для электронного компонента месте - сначала нужно коснуться электростатического мата, на котором компонент лежит, или электростатического пакета. Если это печатная плата, то предварительно коснитесь шины земли на ней. Эти правила помогут предварительно уравнять потенциалы между Вами и компонентом в безопасном месте, после чего можно переносить компонент и совершать с ним какие-то действия.
• При передаче электронного компонента от человека к человеку сначала коснитесь кожи человека, и только потом передавайте ему компонент. Первое прикосновение гарантирует уравнивание потенциала в безопасном для электроники месте.
• Следует принять меры предварительного уравнивания потенциала жала паяльника и монтируемой конструкции. Это можно сделать с помощью заземления жала паяльника и паяемой конструкции. Паяльные станции имеют для этой цели специальное гнездо или клемму. Однако наглухо заземленное жало паяльника может быть менее безопасно, чем совсем не заземленное. Подключайте заземление через последовательный резистор порядка 100 кОм .. 1 МОм. Идеальный вариант, когда жало и монтируемая плата соединены друг с другом проводом с последовательным резистором 100 кОм .. 1 МОм. И конечно, на паяемой конструкции должно отсутствовать питание.
• Синтетические коврики на полу могу генерировать заряд. Избегайте их на рабочем месте, или используйте специальные антистатические коврики и маты.
• Электронно-лучевые трубки (используемые в старых моделях осциллографов и мониторов) могут быть опасны, так как они питаются от высокого напряжения и могут создавать электрические заряды на экране. Держите чувствительные к ESD компоненты на безопасном расстоянии от экрана, и избегайте касаний экрана.
Паяльные станции. Имейте в виду, что многие старые паяльные станции, и даже некоторые современные, имеют клеммы заземления, которые накоротко соединены с жалом паяльника. Вот очень качественный современный паяльник TS100 с клеммой заземления, которая имеет нулевое сопротивление с жалом паяльника:
Сопротивление между клеммой заземления и жалом можно просто проверить с помощью мультиметра - на моей паяльной станции мультиметр показывает 4.41M (это нормально). Если сопротивление слишком мало, то нужно добавить последовательно с подключением заземления резистор 1 МОм.
Если этого не сделать, то короткое заземление через жало паяльника, когда случайно начали паять находящееся под питанием устройство, может повредить его электронную схему. Это событие не связано с ESD, однако оно тоже опасно. Включенный последовательно с заземлением резистор избавит Вас от подобных проблем.
Изоляция паяльника. Оригинальное решение, которое хорошо работает в случае использования электростатических коврика и браслета, или надежного соединения паяемого устройства с клеммой заземления паяльной станции. Паяльник TS100, работающий от аккумуляторной батареи:
[Обеспечение первого подключения шины земли]
Некоторые коннекторы устроены таким образом, что некоторые штырьки у них длиннее. Обычно длинные штырьки используются для подключения провода земли (GND), иногда и питания. Это сделано специально, чтобы при соединении, когда разъем входит в ответную часть, сначала соединялись и уравнивали свой потенциал цепи с длинными контактами, и только потом соединялись сигнальные цепи. Получается возможность реализовать горячее подключение, когда устройство находится под током и работает.
Хороший пример таких коннекторов - Serial ATA, и широко известный в быту штепсель USB Type A:
Контакты, справа налево: красный +питания (VBUS), белый -DATA, зеленый +DATA, черный GND.
[Ограничение тока разряда]
К этому способу защиты относят ESD-фильтры и защитные цепи, состоящие из резистора и двух диодов.
ESD-фильтры, EMI-суппрессоры. Выпускаются интегральные фильтры и подавители помех. Некоторые из них имеют встроенные ограничители напряжения (варисторы, диоды), которые снижают риск повреждения от импульса статического электричества [3].
Защитные цепи. Последовательно включенный резистор и цепочка из диодов защищают сигнальную цепь от перенапряжения. Уровень напряжения на сигнальной шине не может опуститься значительно ниже GND (в этом случае ток пойдет через диод D2) и подняться выше уровня напряжения питания Vcc (в этом случае ток пойдет через диод D1).
Электростатический разряд (electrostatic discharge, ESD) является одним из опаснейших врагов современной электроники. До 30% поломок электронных устройств связывают с воздействием электростатического разряда. Для современных микросхем потенциал в 30 В является «смертельно опасным», а человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В.
ESD-пробой может не привести к мгновенному отказу электронного устройства, но по истечении некоторого времени устройство все-таки выйдет из строя из-за того, что в результате разряда произошло частичное разрушение проводника в микросхеме.
Компания NXP Semiconductors предлагает широкий спектр компонентов для ESD-защиты, среди которых есть, в частности, линейка ESD-диодов серии PESD для т.н. «общих применений». Среди них есть компоненты в чрезвычайно миниатюрных корпусах SOD882 (для дискретной продукции компании NXP характерно использование широкого спектра чрезвычайно компактных корпусов, см. табл. 1).
Таблица 1. Миниатюрные корпуса NXP для портативных приложений
| Обозначение | Кол-во выводов | Размеры, мм | Внешний вид |
|---|---|---|---|
| SOD882 | 2 | 1,0x0,6x0,5 |  |
| SOD523 (SC-79) | 2 | 1,2x0,8x0,6 |  |
| SOT883 (SC-101) | 3 | 1,0x0,6x0,5 |  |
| SOT663 | 3 | 1,6x1,2x0,55 |  |
| SOT416 (SC-75) | 3 | 1,6x0,8x0,77 |  |
| SOT665 | 5 | 1,6x1,2x0,55 |  |
| SOT891 | 6 | 1,0x1,0x0,5 |  |
| SOT886 (XSON6) | 6 | 1,45x1,0x0,5 |  |
| SOT666 | 6 | 1,6x1,2x0,55 |  |
В своей линейке диодов и диодных сборок PESD (см. табл. 2) компания NXP предлагает решения для защиты от электростатических разрядов до 30 кВ и с реализацией в одном корпусе защиты для 18 линий.
Таблица 2. Диоды и диодные сборки NXP Semiconductors для ESD-защиты
Читайте также: