Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 20 августа
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Минпромторг вспомнил о роботах

Правительство задумалось об автоматизации отечественной промышленности.

Профессии будущего: новые и перспективные

Новому миру – новые профессии! Робототехники, космические дизайнеры и борцы со старением – возможно, в недалеком будущем рынок труда изменится до неузнаваемости. Предчувствуя это, мы провели масштабное исследование, чтобы выяснить, какие специалисты сейчас начинают пользоваться спросом.

«Концерн «Вега»: нам сверху видно все

Генеральный конструктор ОАО «Концерн «Вега» о перспективах российских авиационно-космических радиоэлектронных систем разведки и мониторинга.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

3 июня

Оптимальные решения для защиты микросхем от статического электричества

В статье обсуждаются вопросы защиты устройств от электростатического разряда, вызванного разными факторами окружающей среды. Рассмотрены физические основы явления электростатики, основные способы защиты внутренних цепей и полупроводниковых компонентов, а также международные стандарты, регламентирующие защиту устройств от электростатического разряда и бросков по току и напряжению. Статья представляет собой перевод [1].



О

дной из функций всех электронных устройств должна быть защита внутренних цепей от повреждения, поскольку всякий раз, когда человек касается какого-либо прибора с чувствительным полупроводниковым элементом, возникает опасность электростатического разряда.

Даже если электростатический разряд не вызывает катастрофических последствий, таких как «взрыв» мобильного телефона, отсутствие специальной защиты может привести к тому, что приборы перестанут реагировать на нажатие кнопок. Кроме того, электростатический разряд может вызвать отказ USB- или Ethernet-интерфейсов.

Физические основы явления электростатического разряда

Основу возникновения электростатического разряда составляет трибоэлектрический эффект, который происходит, когда быстро разъединяются два контактирующих материала. Поскольку электроны перемещаются между двумя материалами, один из них приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный; генерация этого заряда зависит от нескольких факторов, в т.ч. от площади контакта, скорости разъединения, относительной влажности и химического состава материала. Хотя этот процесс происходит тысячи раз в день, он, как правило, остается незамеченным за исключением случаев, когда разряд достаточно велик, чтобы вызвать краткое чувство дискомфорта у человека, прошедшего по ковру или прикоснувшегося к дверной ручке. Величина заряда может составлять от сотен до десятков тысяч вольт. Некоторые примеры генерации электростатического разряда приведены в таблице 1.

Таблица 1. Примеры генерации электростатического разряда

Источник генерации электростатического разряда

Типовые уровни напряжения, В

10–25% RH

65–90% RH

Перемещение человека по ковру

35000

1500

Перемещение человека по виниловой плитке

12000

250

Рабочий за пультом управления

6000

100

Полиэтиленовый пакет, подобранный со стенда

20000

1200

Учитывая постоянную миниатюризацию размеров кремниевых структур при технологической обработке пластин, воздействие электростатического разряда становится реальной проблемой для современной сложной и, в то же время, чувствительной к затратам электронике. В настоящее время элементы, обеспечивающие защиту от электростатического разряда, имеют слишком большие габариты и довольно дороги по сравнению с кремниевыми ИС в корпусах. В результате поставщики ИС вынуждены существенно сокращать или вовсе отказываться от встроенной защиты от электростатического разряда. Проблема в том, что как только эти ИС устанавливаются в потребительское устройство и покидают контролируемые условия производства, они могут подвергнуться воздействию электростатического разряда.

Кроме того, хотя исторически сложилось так, что производители ИС всегда использовали тестовую модель электростатического разряда (стандарт MIL-STD-883, метод 3015, модель тела человека), главным образом, для условий производства, производители оборудования, которые имеют дело с явлениями электростатического разряда в условиях эксплуатации, применяли более строгую модель, отвечающую требованиям Международной электротехнической комиссии (IEC), в частности, стандарта IEC 61000-4-2. На момент написания этой статьи большинство поставщиков ИС тестирует свои изделия при напряжении 500 В с помощью модели тела человека (Human Body Model, HBM), тогда как производители конечного оборудования проводят тесты при напряжении 8000 В (и выше) в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2.

В таблице 2 сравниваются величины пиковых токов электростатического разряда в соответствии с моделью тела человека, используемой многими поставщиками чипсетов, и согласно требованиям стандарта IEC 61000-4-2, которые связаны с условиями эксплуатации.

Таблица 2. Пиковый ток при электростатическом разряде

Напряжение
разряда, В

Пиковый ток согласно модели
тела человека, А

Пиковый ток в соответствии с IEC 61000-4-2, А

500

0,33

1000

0,67

2000

1,33

7,5

4000

2,67

15,0

8000

5,33

30,0

Из таблицы видно, что пиковый ток электростатического разряда согласно модели тела человека для наихудшего случая намного меньше пикового тока электростатического разряда в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2.
По сравнению с электростатическим разрядом при напряжении 8 кВ, описанным моделью тела человека, электростатический разряд той же величины по стандарту IEC 61000-4-2 предполагает в 5,6 раз более высокий ток. Стойкость чипсетов, которые успешно проходят тестирование в соответствии с моделью тела человека в условиях производственной среды, не гарантируется в условиях эксплуатации, где электростатический разряд может быть гораздо большим. Наконец, большинство поставщиков ИС тестирует свои изделия на стойкость к электростатическому разряду только при напряжении 500 В на основе модели тела человека. При воздействии электростатического разряда с переходным напряжением 8 кВ в условиях эксплуатации чипсет испытывает 100-кратное превышение тока. Если в ИС не предусмотрена защита от электростатического разряда, такой величины тока вполне достаточно для того, чтобы вывести чипсет из строя.

В последнее время требования к тестированию систем ужесточались неоднократно, так что 8 кВ — это, как правило, минимальный тестовый уровень напряжения электростатического разряда. Эволюция уровней тестирования происходит в направлении повышения напряжений — до 20 и даже 30 кВ, но в то же самое время поставщики ИС продолжают исключать из чипсетов защиту, чтобы освободить площадь кристалла для размещения дополнительных функций. На рисунке 1 показан растущий разрыв между стойкостью чипсета к электростатическому разряду и вероятными уровнями воздействующего электростатического разряда для оборудования в условиях эксплуатации, что подчеркивает потребность в дополнительной защите от статического электричества.

Рис. 1. Тестирование устройства на воздействие электростатического разряда.
Voltage Level – уровень напряжения; During this period of time, board-level ESD devices were typically not needed – в этом интервале времени устройства защиты от электростатического разряда на уровне печатной платы не требуются; ESD test level – as required by the end application and thus driven by electronics manufactures – контрольный уровень электростатического разряда – в соответствии с требованиями конечного приложения и, следовательно, определяемый производителем электроники; Protection Gap – защитный интервал; Robustness of chipsets – driven by semiconductor manufacturers – надежность чипсета, определяемая производителями электроники; Time – время

Роль защиты

Если требуется, чтобы потребительская электроника была стойкой к воздействию электростатического разряда и продолжала функционировать после него, ключевое значение приобретает выбор эффективного устройства защиты. Такое устройство называют диодной матрицей для подавления напряжения переходного процесса (transient voltage suppressor, TVS). При выборе компонента защиты от электростатического разряда одной из важнейших, а, возможно, и самой его важной характеристикой является динамическое сопротивление. Любое устройство защиты имеет внутреннее сопротивление, связанное с напряжением фиксации, или ограничивающим напряжением. В идеальном случае внутреннее сопротивление устройства защиты должно быть как можно меньше, чтобы обеспечить минимальное полное сопротивление канала протекания тока на землю в случае броска тока из-за электростатического разряда.

Принципиальная схема на рисунке 2 иллюстрирует защиту ИС от воздействия электростатического разряда. Во время разряда ограничительный прибор включается, переходя из состояния высокого в состояние низкого импеданса. Если его последовательное сопротивление велико, на этом компоненте падает высокое напряжение. Это значит, что устройство менее эффективно станет защищать ИС. Если его последовательное сопротивление мало, напряжение на нем ниже, что, в свою очередь, снизит уровень напряжения электростатического разряда, воздействующего на ИС.

Рис. 2. Защита ИС с помощью специального устройства защиты от электростатического разряда.
ESD Entry – воздействие электростатического разряда; Port – порт; ESD Device – устройство защиты от электростатического разряда; IC – ИС

Пониженное динамическое сопротивление (сопротивление устройства защиты в режиме ограничения) позволяет перенаправить импульс тока от ИС на землю, как показано на рисунке 2. Диодная матрица для подавления напряжения переходного процесса от компании Littelfuse обеспечивает наименьшую величину динамического сопротивления, минимизируя, таким образом, общее падение напряжения на защитном компоненте и максимально увеличивая ток, который проходит через защитный компонент, а не через ИС.

В большинстве случаев кремниевые устройства защиты обеспечивают наилучшую защиту от электростатического разряда благодаря присущему им меньшему динамическому сопротивлению по сравнению с конкурирующими технологиями, например, полимерными или керамическими компонентами. Типовая величина динамического сопротивления кремниевых компонентов составляет 0,2–3 Ом в зависимости от поставщика, а керамические устройства (одинаковой емкости) обладают динамическим сопротивлением, в среднем, в диапазоне 2–5 Ом.

На рисунке 3 сравнивается сквозная энергия кремниевых компонентов и варисторов в случае, когда переходное напряжение электростатического разряда величиной 8 кВ воздействует на каждый из этих компонентов. На данном графике наглядно видна разница максимальной амплитуды переднего фронта импульса и напряжения фиксации при последующем спаде сигнала. Область между этими кривыми (показана стрелками) представляет собой разницу характеристик двух компонентов с точки зрения величины энергии, которую должна выдержать ИС или чипсет во избежание возможного повреждения или преждевременного отказа.

Рис. 3. Сравнение характеристик кремниевого диода и варистора.
Voltage (V) – напряжение, В; Peak Voltage = 240V vs. 156V – пиковое напряжение = 240 В или 156 В; Clamp Voltage = 75 V vs 16V – напряжение фиксации – 75 В или 16 В; Time (ns) – время, нс

Стандарты защиты устройств от электростатики

Эволюция потребительской электроники продолжается: появились ЖКД-телевизоры, смартфоны, планшеты, электронные книги, телевизионные приставки, игровые консоли, цифровые видеокамеры, аудиоплееры и т.д. Но, несмотря на такое разнообразие, в этих устройствах часто используются одни и те же порты или межсоединения. Поскольку такие устройства сопрягаются с внешним оборудованием, эти межсоединения требуют защиты от электростатического разряда. Почти во всех потребительских изделиях используются следующие функции и блоки:

  • вход/выход переменного тока;
  • вход/выход постоянного тока;
  • комплект батарей;
  • клавиатура/кнопочные переключатели;
  • видеосигналы (HDMI, S-Video, композитное видео, сигналы управления ЖКД-модуля);
  • аудиовыход;
  • низкоскоростные интерфейсы (USB1.1, IEEE 1394, RS 232C, RS 485);
  • высокоскоростные интерфейсы (USB2.0, USB3.0, 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT);
  • CATV/РЧ-входы/выходы.

Некоторые из этих функций должны отвечать требованиям национальных стандартов по безопасности, что означает необходимость в реализации защиты от перегрузки по току и перенапряжения. Другие функции нуждаются в защите от таких факторов окружающей среды как от электростатического разряда, а также сверхвысокого напряжения грозовых разрядов или кратковременных электрических бросков при включении и отключении расположенного поблизости оборудования с высокой индуктивной нагрузкой (например, пылесоса).

Изделия, которые напрямую подключены к сети переменного тока (120 или 250 В), могут подвергаться воздействию сильных бросков напряжения и тока (из-за грозовых разрядов, переключения нагрузки и т.д.) и коротким замыканиям/перегрузки, что делает необходимым применение элементов защиты от перегрузки по току (плавкие предохранители, самовосстанавливающиеся предохранители, или термисторы с положительным температурным коэффициентом) и от перенапряжения (металлооксидные варисторы, TVS-диоды). Перечислим стандарты, которые требуют применения такого рода защиты:

  • IE 61000-4-4 (кратковременные броски электричества в пользовательской среде);
  • IEC 61000-4-5 (броски электричества, наведенные грозовыми разрядами);
  • IEC/EN 60950-1 (стандарт безопасности).
  • Необходимо учитывать, что портативные потребительские устройства, которые содержат адаптер питания, могут стать объектом воздействия электростатических и маломощных грозовых разрядов. Перечислим стандарты, которые требуют обеспечить защиту от такого рода воздействий:
  • IEC 61000-4-2 (электростатические разряды в пользовательской среде);
  • IEC 61000-4-5 (броски электричества, наведенные грозовыми разрядами).

Клавиатуры или другие интерфейсы с использованием кнопок с ручным нажатием могут быть точкой входа разрушительной энергии электростатического разряда. Аудиоканалы могут также подвергаться воздействию электростатического разряда, что обусловлено подключением их к громкоговорителям по проводам и ручным управлением аппаратуры. Разъемы для подключения каналов S-Video, композитных видеосигналов и HDMI-разъемы также чувствительны к электростатическому разряду, поскольку они часто подвергаются ручному манипулированию пользователем. Системы с батарейным питанием также испытывают воздействие электростатического разряда и находятся под угрозой перегрузки по току (в этом случае применяются стандарты IEC 61960 и IEC 62133). Низкоскоростные и высокоскоростные каналы передачи данных подвержены эффектам электростатического разряда; в зависимости от реального расположения, на них могут, кроме того, наводиться броски напряжения, индуцированные грозовыми разрядами. Международные стандарты, которые применяются к такого рода приложениям, включают в себя:

IEC 61000-4-2 (электростатические разряды в пользовательской среде);

IEC 61000-4-5 (броски электричества, наведенные грозовыми разрядами).

Риск выхода из строя потребительских устройств из-за перенапряжения, обусловленного электростатическим разрядом, постоянно увеличивается. Из-за тенденции размещать на кристалле ИС все большее число функций, устойчивость микросхем к электростатическим разрядам снижается, что вызывает необходимость использовать внешние компоненты защиты. Производители оборудования тестируют свою продукцию на соответствие международному стандарту
IEC 61000-4-2. Чтобы обеспечить расчетный срок службы изделий, рекомендуется использовать диодные матрицы TVS. Они не только отвечают требованиям к минимальным размерам ИС, но и обеспечивают очень низкие напряжения фиксации по сравнению с конкурирующими технологиями, т.е. защиту современных ИС. Опасность воздействия кратковременных переходных процессов, ближних грозовых разрядов или потенциальных отказов питания, в свою очередь, делают необходимым установку локальных устройств защиты от перегрузки по току и перенапряжения.

Литература

  1. Phillip Havens, Chad Marak. Paying for the right protection//Electronic Specifier Design. February 2014.

Читайте также:
Электронику защитят от статических зарядов витамином E
Защита входов цифровых электронных устройств
Супервспышка на Солнце в любой момент может погубить всю земную электронику
Насколько защищена космическая электроника?
Последний совет: как уберечь свою электронику от «конца света»
Радиация в 10 раз опаснее для электроники, чем считалось ранее
Toshiba показала робота с радиационно-стойкой электроникой
Созданы МЭМС, способные работать даже внутри ядерного реактора
Первые печатные платы со встроенной защитой от ESD

Источник: журнал «Электронные компоненты»

Оцените материал:

Автор: Филипп Хэвенс (Phillip Havens), ведущий инженер, Littelfuse; Чад Марак (Chad Marak), директор по маркетингу продуктов, Littelfuse



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты