Protecció ESD per a dissenys sense fil
La descàrrega electrostàtica (ESD) és l'alliberament sobtat i incontrolat d'energia elèctrica estàtica. Aquesta descàrrega d'energia elèctrica pot danyar circuits integrats sensibles, i els dissenyadors de sistemes sense fil han de ser conscients de l'ESD.
Els fabricants de sistemes sense fil estan desenvolupant especificacions ESD més estrictes, cosa que dificulta la tasca dels dissenyadors de plaques de circuit. Hi ha una varietat d'estàndards ESD diferents, cosa que complica l'esforç de disseny. Tenim en compte els dos estàndards internacionals més comuns: model de cos humà HBM (model de cos humà) i IEC1000-4-2. El primer estàndard simula les condicions de contacte i s'aplica al dispositiu; el segon estàndard s'utilitza per a la protecció ESD a nivell de sistema.
La protecció ESD per a dissenys sense fil s'enfronta a reptes especials. Hi ha diverses tècniques de protecció ESD, cadascuna amb els seus propis avantatges i desavantatges. Tanmateix, per als dissenys sense fil, el rendiment, l'espai del circuit, el pes, el consum d'energia i el cost afavoreixen l'ús de xarxes de protecció de díodes integrades.
A més, parlarem de com aplicar la xarxa de díodes per obtenir el millor rendiment de protecció ESD. El rendiment òptim està estretament relacionat amb la disposició de la placa de circuits per garantir que els corrents ESD puguin entrar al dispositiu de protecció sense danyar els circuits integrats sensibles. A més, l'ús de la xarxa de protecció de díodes hauria de prestar atenció al problema d'apagada del sistema. Finalment, no hi ha una manera fàcil de relacionar el rendiment de protecció ESD d'un dispositiu amb el rendiment de protecció d'un sistema, però especificar una tensió de subjecció per protegir el dispositiu és una manera eficaç de connectar els dos.
La prova estàndard ESD HBMESD s'utilitza normalment per a circuits integrats, mentre que IEC1000 defineix la prova ESD del sistema. Tots dos utilitzen el model ESD de descàrrega de condensadors que passen per resistències limitadores de corrent (figura 1). La diferència és la mida del valor del dispositiu. Per a HBM, el valor del condensador és de 100pF i la resistència limitadora de corrent és de 1500Ω. Tingueu en compte que el corrent màxim de descàrrega de l'IEC1000 és gairebé 5 vegades més gran que el de HBM per a la mateixa tensió ESD. A més, IEC1000 utilitza mètodes de descàrrega de contacte i descàrrega d'aire per provar equips. L'estàndard defineix la tensió ESD de descàrrega de contacte com a 2 kV a 8 kV, i el contacte d'aire pot arribar a 15 kV. Tingueu en compte que el temps de pujada actual especificat per IEC1000 és inferior a 1ns, la qual cosa requereix una resposta molt ràpida del dispositiu de protecció (figura 2). Per la mateixa raó, la disposició de la placa és fonamental per aconseguir la protecció ESD d'un sistema.
Mètodes de protecció Si s'han de complir els requisits de protecció ESD de l'IEC1000-4-2, els equips de comunicació sense fil necessiten una protecció adequada. Les àrees tocades per l'usuari, com els botons i els ports d'E/S, són susceptibles a ESD i, per tant, requereixen protecció. Una tècnica senzilla és col·locar condensadors a les línies de comunicació per absorbir polsos ESD, la qual cosa redueix la velocitat del senyal i augmenta el consum de corrent de la unitat. Es pot utilitzar un espurneig al tauler. L'espurna està dissenyada per fusionar-se durant el pols d'ESD i el corrent es deriva a terra. Tanmateix, aquesta tecnologia ocupa un gran espai i provoca una protecció ESD poc fiable després de l'envelliment. Els dispositius MOV (metaloxidevaristor) es poden apagar a altes tensions i es poden utilitzar en aplicacions amb temps de resposta lents. Tanmateix, el seu volum i la seva gran capacitat els fan inadequats per protegir les línies de senyal, i un desavantatge addicional són les seves característiques d'envelliment.
Per als díodes Zener, encara que són capaços de subjectar grans corrents a una tensió determinada, produeix capacitats paràsites que no són necessàries per protegir les línies de senyal. En canvi, els díodes ràpids i de baixa capacitat connectats a terra i potència són una bona solució. Poden manejar corrents màximes grans, tenir corrents de fuga inverses petites i suportar múltiples cops d'ESD sense danys; desvia amb èxit els polsos ESD lluny dels dispositius de protecció sensibles i té una llarga vida útil. Tanmateix, cal un parell de díodes per línia de protecció. Malgrat el baix preu per dispositiu, el cost total d'instal·lació i l'espai necessari fan que una solució dividida no sigui adequada.
Per exemple, calen 17 parells de díodes per protegir el port paral·lel IEEE-1284. La integració de diferents nombres de parells de díodes en un sol paquet dóna com a resultat una solució rendible òptima.
El principi de protecció ESD de la matriu de díodes de xarxa de protecció de díodes integrada és molt senzill. A la línia de senyal protegida s'afegeix un parell de díodes connectats a la font d'alimentació i la terra. Durant el funcionament normal, aquests díodes tenen polarització inversa, però la polarització directa es produeix quan la tensió a la línia de senyal és més alta o més baixa, respectivament, que la tensió al terminal corresponent. El biaix cap endavant es produeix durant un pols ESD, quan el díode atrau corrent a la font d'alimentació o a terra, deixant el dispositiu protegit, que només està sotmès a un petit xoc de tensió i corrent.
Com que els pins d'E/S del circuit integrat estan dissenyats per suportar tensions HBMESD de 2 kV, el dispositiu protegit pot suportar aquesta energia, però això imposa requisits més estrictes a la xarxa de díodes externs. Segons el mètode IEC1000-4-2, aquestes xarxes han de resistir una "descàrrega per contacte" de 8 kV. A més, també ha de subjectar la tensió darrere d'ell perquè els circuits integrats o altres dispositius passius no es facin malbé. Finalment, per no degradar el rendiment del senyal, la capacitat total del parell de díodes hauria de ser inferior a 5pF.
Com que les aplicacions sense fil normalment requereixen paquets d'empremta petita, els dispositius de protecció s'han d'empaquetar en paquets SOT, MSOP i QSOP, que són més competitius que les solucions discretes (figura 3).
L'optimització de la protecció ESD ha de prestar atenció al disseny i la instal·lació de la placa de circuit. En primer lloc, minimitzeu la inductància parasitària entre el punt d'entrada del pols ESD i la xarxa de protecció de díodes (figura 4). La inductància parasitària resistirà els canvis ràpids en el corrent de pols ESD, permetent que el corrent ESD que entra a la xarxa de díodes flueixi al dispositiu protegit. En aquest sentit, el dissenyador hauria de col·locar la xarxa de díodes entre l'inductor i el dispositiu protegit, cosa que millora el rendiment de la protecció ESD de dues maneres: l'inductor resisteix els canvis ràpids de corrent i s'estén al llarg del temps, reduint el corrent màxim; ESD Els polsos es veuen obligats a passar primer per la xarxa de díodes i només una petita fracció dels polsos entra als dispositius posteriors.
Els següents són el teclat esd sense fil, el ratolí esd sense fil, la corretja de canell sense fil esd:
