Защита usb от esd

Обновлено: 02.07.2024

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.

Для защиты входов микросхем производители полупроводниковых компонентов выпускают специальные диодные сборки, в которых содержится сразу несколько диодов.

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.

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
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

Защита от статического ESD (принцип Устройства защиты от ESD и выбор)

Как правило, схема защиты ОУР следующая

Когда система не мешает, устройство ESD может быть проигнорировано и тяжелая работа.

Когда внешний интерфейс напряжение превышает напряжение пробоя ОУР устройства (V BR ), Устройство ОУР начинает работу и подает ток на землю.

Фактическое рабочее напряжение ESD устройства (V RWM ) А напряжение пробоя (V BR Разница, выбирая устройство ESD для выбора рабочего напряжения системы рабочего напряжения, чем ESD устройства (V RWM ），

Например, система 0

5V, то мы должны выбрать рабочее напряжение (V RWM Более 5V TVS.

Односторонний ОУР устройство и двусторонней ОУР устройство, двухсторонний ОУР устройство может передать положительное и отрицательное напряжение пробоя (V BR Сигнал, и устройство ОУР в одну стороны могут быть нарушены только через напряжение (V BR Сигналы, если они проходят отрицательными, пробое ESD устройства.

Особенность двухсторонних ОУР устройства и однонаправленные ОУРЫ устройства лучше, чем защита от отрицательного давления.

Несколько ESD Модели и его кривая разряда.

IEC 61000-4-2 рейтинг является ежедневный уровень контакта, нормальное деление четыре

Однако, когда устройство удовлетворяет ОУР с IEC 61000-4-2, представляет только защиту самого устройства ESD, не означает, что схема пост-уровня может выдержать соответствующее воздействие. Напряжения зажима является возможность измерить схему защиты устройства ОУР. Напряжения зажима является воздействие статического электричества устройства, когда извне в шоке. Как показано на чертеже, это воздействие, синий представляет собой напряжение, после того, как зажим воздействия на устройство ESD. Мы можем выбрать зажим напряжения на основе ваших собственных потребностей системы.

В практических применениях, ОУРЫ устройство паразитарное, как показано на чертеже, влияние паразитной емкости на границе цепи высокой скорости, паразитный конденсатор влияет на величину и скорость падения уровня, такие как USB3.0, HDMI, и более.

Паразитная емкость может быть выбрана в соответствии с интерфейсом приложения, когда выбран выбор ESD устройства.

ESD шаги выбора устройства

1. Вычислить диапазон амплитуд сигналов интерфейса, чтобы определить рабочее напряжение ESD устройства;

2. Определить использование одностороннего или двунаправленного устройства ESD в соответствии с типом сигнала;

3. Определить максимальную паразитную емкость, которая может быть затронута интерфейсом в соответствии со скоростью сигнала;

4. Выберите соответствующее напряжение зажима в соответствии с воздействием максимального напряжения системы цепи;

5. Убедитесь, что ОУР устройство может достигать или превышать IEC 61000-4-2 LEVEL4.

Читайте также: