Normaali päivittäinen toiminta voi saada ihmiskehon latautumaan huomaamatta jopa 10 000 voltin sähkövirralla. Alle 3500 voltin purkaukset jäävät täysin huomaamatta. Ja kuitenkin jo sadan voltin purkaus riittää aiheuttamaan merkittäviä vahinkoja erittäin herkille mikropiireille.
Oikea ESD-suojaus sähköstaattisia purkauksia vastaan ja sopiva EMI-suojaus sähkömagneettisilta häiriöiltä ovat olennainen osa käyttöliittymiä. Tässä artikkelissa kerromme, mitä muuta pitää ottaa huomioon jännitevahinkojen, toimintahäiriöiden ja myöhempien vaurioiden välttämiseksi HMI-sovelluksissa eli ihmisen ja koneen rajapinnassa. Oikeiden komponenttien valinta voi suojata odottamattomilta lisäkustannuksilta. Ohjeista vastaa Rutronikin vakiotuotteiden vanhempi tuotepäällikkö Reza Maghdounieh.
Ylijännitevahinkoja aiheuttavat heikot kohdat ovat yleensä rajapintoja. Nämä voivat olla kaapelin sisääntuloportteja tai haptisia elementtejä, kuten näyttöjä ja painikkeita. Koska näitä ei voida laitteissa kokonaan välttää, on yleinen käytäntö minimoida mahdolliset jännite- piikit jo ennen kuin ne saavuttavat herkät komponentit. Tämä alkaa jo piirilevyn komponenttien sijoittelusta.
Jos näiden liitäntöjen ESD-purkautumistie on liian lähellä piirin muita osia, se voi aiheuttaa vaurioita kenttäkytkennän kautta. Tämä kuvaa virtaa, joka vuotaa purkureitiltä piirilevyn herkempiin osiin. Tällaisille vaurioille alttiita alueita ovat esimerkiksi datapiirit, mikro-ohjaimet, A/D-muuntimet tai operaatiovahvistimet.
Hallitsematon jännite voi johtaa joko koviin tai pehmeisiin vikoihin. Kovia laitetason vikoja esiintyy ESD-pulssin suoran liitännän kautta ja ne voidaan välittömästi tunnistaa vaurioituneina komponentteina (p/n- läpiviennin kuumeneminen tai eristeen pettäminen, metalloinnin sulaminen). Pehmeät viat ovat toimintahäiriöitä, jotka aiheutuvat parasiittisesta kytkennästä, joka aiheutuu ESD-purkauksen kautta.
ESD-SUOJAUKSESSA YKSI KOKO EI SOVI KAIKILLE
Ylijännitesuojadiodeja eli TVS- diodeja käytetään yleisesti herkillä alueilla, kuten tasavirta- lähde-, turva- ja valvontajärjestelmissä, sekä tietoliikenne- ja autoteollisuudessa herkkien piirilevyjen suojaamiseksi. Näillä komponenteilla on ylivoimainen kiinnitys suojadiodien välillä ja ne on kytketty yhdensuuntaisesti suojattavan kuorman kanssa.
TVS-diodien etuna on niiden lyhyt laukaisuaika ja pieni kapasiteetti. Ne ovat lumivyöryelementtejä yksisuuntaisissa ja kaksisuuntaisissa malleissa, joille on tunnusomaista korkea estojännite ja lumivyöryvaikutuksen käyttö (äkillinen sähkövirran kasvu, jonka estojännite käynnistää) erityisesti jännitteen vakauttamiseksi.
Vishay Semiconductorsin TransZorb- ja PAR-TVS-diodit tarjoavat laajan valikoiman yksi- ja kaksisuuntaisia napaisuusratkaisuja.
Suojadiodeja käytettäessä on tärkeää ottaa huomioon käyttö- ympäristö. Vishayn pintaliitettävät SMF-diodit (Surface Mount Flat- Diodes) erottuvat nopean reaktio- aikansa ansiosta ja ovat ihanteellisia kädessä pidettävien sovel- lusten, kuten kannettavien tietokoneiden, tablettien ja ulkoisten tallennusasemien transienttijännitesuojauksille. Lisäksi SMF- sarja tukee jopa 260 celsius- asteen lämpötiloja (juotos 10 s). Tämä on tärkeä ominaisuus, koska potentiaaliset lähettimet voivat olla myös teollisia valmistuslaitteita, kuten juotosrautoja, tuotantokoneita ja pakkausmateriaaleja.
Toisen haasteen oikean diodin valinnassa muodostaa jatkuvasti pienenevät piirien koot. Puoli- johderakenteisiin kohdistetaan edelleen samoja jännitteitä, vaikka mitat ovat pienemmät. Esimerkiksi eSMP-tyyppisillä (eSMP = parannetut pintaliitettävät tehokomponentit) ESD- ja TVS-diodeilla on erittäin matala kotelo (1 mm) ja korkea 200 watin purkauskapasiteetti 10/1000 mikrosekunnissa (määrittelee, kuinka kauan suojauspiiri kestää tehoa).
Yleensä seuraavat neljä parametria on otettava huomioon oikean diodin valinnassa:
- impulssitehohäviö PPPM määritetyllä virtapulssin IPP:llä (esimerkiksi pulssimuoto 10 / 1000μs tai 8 / 20μs)
- suurin estojännite VWM
(= suojattavan piirin suurin käyttöjännite) - pienin päätejännite VBR (= noin 10% yli VWM-arvon
- Suurin kiristysjännite VC. On tärkeää, että häiriöiden aikana esiintyvät jännitepiikit rajoitetaan
tähän arvoon. Lisäksi kaikkien piirin osien on kestettävä tämä kuorma.
Impulssitehohäviö TVS-diodeissa määritetään yleensä 10/1000 μs - virtapulssilla. Tämä arvo on IPP:n ja VC:n tulo:
PPPM = IPP * VC
IEC-STANDARDI TAKAA LAADUN
IEC eli kansainvälinen sähkö- tekninen komissio (International Electrotechnical Commission) määrittelee sähköisen purkauksen häiriönsietostandardin normissa 61000-4-2 ja sitä sovelletaan kuluttajalaitteiden komponentteihin. Ulkoisen ESD- suojauksen sekä itse piirin HBM-mittausten (Human Body Model) lisäksi on tärkeää huomioida näkyvät IC-piirin sisääntulopisteet.
Standardi kuvaa immuniteetit sekä ilmateitse tapahtuvassa kontaktissa (noin 15 kV) että suorassa kontaktissa (± 8 kV). Vishayn SMF-diodit tarjoavat ESD-vakauden ± 30 kV (ilmateitse ja kontaktissa) ja siten erittäin luotettavan suojan ei-toivotuilta purkauksilta.
Ns. IEC61000-4-2 8 kV - aaltomuodossa on kaksi ominaisuutta: ensimmäisellä jännitepiikillä on hyvin lyhyt, 1 nanosekunnin nousuaika, mutta korkea virta-arvo. Siksi tarvitaan nopean reaktioajan ESD- suojadiodia. Lisäksi on aina toinen nousu, jossa on jopa 18 ampeerin virta.
Rutronikin Reza Maghdouniehin kirjoittama artikkeli on ilmestynyt uudessa ETNdigi-lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.
