Fitnessranneke on hankala elektroniikkalaite, sillä ihoa vasten sijoitettuna se on alttiina sähköstaattisille purkauksille. Tämän takia laitteen elektroniikka pitää suojata erittäin huolellisesti. Littelfusen James Colby kertoo, miten tämä tapahtuu.

Artikkelin kirjoittaja James Colby vastaa Littelfusella puolijohdebisneksen kehityksestä. Hänen vastuunaan on uusien strategisten kasvualueiden tunnistaminen ja kehittäminen, sekä uusien tuotteiden tuominen näille alueille. Colby valmistui Southern Illinoisin yliopistosta ja hänellä on lisäksi MBA-tutkinto Kellerin johtajakoulusta. Hän on työskennellyt Littelfusella yli 15 vuotta. Elektroniikkateollisuudesta Colbyllä on yli 23 vuoden kokemus.

Päällepuettava elektroniikka on yksi tämän hetken kulutuselektroniikan kuumimpia trendejä. Älylaseista liikkumista monitoroiviin rannekkeisiin näistä laitteista on nopeasti tulossa osa peruskuluttajan arkea. Itse asiassa Business Insider -lehti ennustaa päällepuettavien markkinoiden kasvavan 35 prosentin vauhtia seuraavan viiden vuoden ajan. Vuonna 2019 laitteita myydään jo 148 miljoonaa kappaletta.

Päällepuettavien nopea kasvu tuo suuria vastuita laitevalmistajille. Koska laitteita pidetään ihoa vasten, ne ovat jatkuvasti käyttäjän generoimien staattisten sähköpurkauksien kohteena. Pienikin kosketus voi tuottaa sähköstaattisen purkauksen, joka vahingoittaa suojaamattoman laitteen piiristöä, akunlatausliitäntää, nappeja tai dataväyliä korjauskelvottomiksi. Kun kuluttajat tulevat riippuvaisiksi päällepuettavista laitteistaan, piirisuunnittelijoiden täytyy ottaa käyttöön kehittyneitä piirien suojaustekniikoita, jotka suojaavat sekä laitteita että käyttäjiä.

Riittävän piirisuojauksen tuomisella päällepuettaviin laitteisiin on omat erityishaasteensa, jotka liittyvät laitteiden jatkuvasti kutistuviin mittoihin ja toisaalta kasvaviin suorituskykyvaatimuksiin. Tässä artikkelissa tutkitaan piirinsuojaustekniikoita ja piirilevyn sijoittelun strategioita, joita pitäisi hyödyntää jo suunnittelun alkuvaiheessa. Korostamme myös neljää askelta nopeita jännitemuutoksia kontrolloivien TVS-diodien (transient voltage suppression) valinnassa, jotka parantavat päällepuettavien laitteiden turvallisuutta ja luotettavuutta.

Kestävä, kompakti piirinsuojaus

Kiekkojen valmistusprosessien ja piirien kokoonpanotekniikoiden kehittyessä on nyt mahdollista saada hyvin tehokas ESD-suojaus hyvin pieniin komponentteihin ilman, että ESD-suorituskyky heikkenee. Esimerkiksi Littelfusen yleiskäyttöinen 01005-kokoinen TVS-diodi kestää jopa 30 kilovoltin kontaktipurkauksia (IEC 6100-4-2) ja sen dynaaminen resistanssiarvo on alle 1 Ω. Tämän diodin EDS-kestävyys ja dynaaminen resistanssi on samaa luokkaa kuin suuremmilla komponenttityypeillä kuten SOD323 ja SOD123.

ESD-diodien kokoja.

Kestävä eli robusti piirinsuojaus on keskeistä vaativissa toimintaolosuhteissa. Siinä missä mikropiirien HBM-testeissä (Human Body Model) päästään testaamaan 2000 voltin jännitteitä, useimmat sovellussuunnittelijat haluavat varmistua siitä, että heidän laitteensa täyttävät ainakin IEC 6100-4-2 -testistandardin 4-tason (8 kilovoltin kontaktipurkaus, 15 kilovoltin ilmapurkaus). Joissakin kannettavissa ja päällepuettavissa laitteissa kontaktipurkaustaso on nostettu 15 tai 20 kilovolttiin ja asettavat jotkut yritykset rajan jopa 30 kilovolttiin. Tämä suunnittelupäätös takaa, että ESD-laitteet ovat riittävät kestäviä vastaamaan pitkäaikaisen käytön luotettavuusvaatimuksiin.

Littelfusen 0201-kokoinen SP1013 sopii kännyköiden, tablettien ja päällepuettavien laitteiden piirien suojaukseen.

Modernit ESD-suojauksen toteutustekniikat voivat kutistaa komponentin piirikortilla vaatimaa alaa. Esimerkiksi erillisten TVS-diodien yleinen kotelokoko on SOD882, jonka ulkomitat ovat 1,0 x 0,6 milliä. Siirtymällä 0201-kokoon (0,6 x 0,3 milliä) suunnittelija voi säästää piirikorttialassa noin 70 prosenttia. Siirtymällä 01005-kokoon tilaa säästyy yli 85 prosenttia SOD882-koteloon verrattuna. Nämä päätökset on tärkeää tehdä aikaisessa vaiheessa suunnittelua, kun sijoittelussa ja kortin konfiguroinnissa vielä on mahdollista joustaa.

Neljä askelta TVS-diodien valintaan

Suunnittelijat voivat valita TVS-diodit päällepuettavien laitteidensa suunnitteluihin seuraamalla näitä ohjeita:

1. Määrittele yksi- tai kaksisuuntaisuus. Yksisuuntaisia TVS-diodeja käytetään tyypillisesti DC-piireissä, kuten painonapeissa ja kytkimissä, sekä digitaalisissa piireissä. Kaksisuuntaisia diodeja käytetään AC-piireissä, joissa signaalilla voi olla -0,7 volttia suurempi negatiivinen jännite. Tällaisia piirejä ovat dataväylät, audio-, analoginen video- ja RF-liitännät.

Mikäli mahdollista, suunnittelijoiden pitäisi valita yksisuuntaiseen diodiin pohjaava konfiguraatio, koska niiden suorituskyky paranee negatiivisen jännitteen ESD-piikeissä. Näiden piikkien aikana leikkausjännite perustuu diodin forward bias -jännitteeseen, joka on tyypillisesti alle 1,0 volttia. Kaksisuuntaista diodia käytettäessä leikkausjännite perustuu negatiivisessa piikissä käänteiseen breakdown-jännitteeseen, joka on suurempi kuin yksisuuntaisen diodin bias-jännite. Siksi yksisuuntaiseen diodiin pohjaava suunnittelu voi dramaattisesti vähentää järjestelmään kohdistuvaa rasitusta negatiivisten piikkien aikana.

2. Päätä sijainti. Useimmat päällepuettavat laitteet eivät vaadi korttitason TVS-diodeja integroidun piirin jokaisessa nastassa. Sen sijaan suunnittelijan pitää päättää, mistä nastoista on pääsy sovelluksen ulkopuolelle niin, että käyttäjän generoimat ESD-purkaukset todennäköisimmin kohdistuvat niihin. Jos käyttäjä voi koskettaa tietoliikenne/ohjausväylää, se voi toimia polkuna, jota pitkin ESD pääsee piiriin asti. Tyypilliset piirit sisältävät USB:n, audion, nappi/kytkinohjauksen ja muita dataväyliä. Suunnittelijoiden pitäisi valita 0201- tai 01005-kokoon sopivia komponentteja ja siten optimoida korttialan käyttö.

3. Mieti johtimien pituutta. Integroidun piirin nastojen suojaaminen TVS-diodilla edellyttää, että johtimien reitityksessä pitää ottaa huomioon useita tekijöitä – I/O:sta maadoitukseen. ESD-purkaus ei vapauta suurta virtaa pitkän aikaa. Sen hallitsemiseksi on välttämätöntä siirtää varaus suojatusta piiristä ESD-referenssiin niin nopeasti kuin mahdollista. Johtimen pituus – I/O-linjasta ESD-komponenttiin ja ESD-komponentista maahan – on keskeinen tekijä, ei maahan johtavan johtimen paksuus. Johtimen pituus pitäisi pitää niin lyhyenä kuin mahdollista, jotta parasiittinen induktanssi saadaan pysytettyä mahdollisimman pienenä. Tämä induktanssi johtaa induktiiviseen ylivuotoon, joka on lyhyt, jopa satoihin voltteihin yltävä jännitepiikki, mikäli haarajohdin (stub trace) on liian pitkä. Uusimmat diodisillat sisältävät µDFN-kotelon, joka sopii suoraan datalinjojen päälle, jolloin haarajohtimia ei tarvita.

4. Tutki eri testimallimäärityksiä. Puolijohdetoimittajat käyttävät HBM-, MM- (Machine Model) ja CDM-testimallien määrityksiä karakterisoimaan kannettavien tai päällepuettavien laitteiden integroitujen piirien ESD-kestävyyttä. Useimmat mikropiirien valmistajat pienentävät testijännitetasoja säästääkseen piialassa. Tämä perustuu yleensä valmistajan sisäiseen ESD-suojaussääntöön.

Vaikka nämä tiukat ESD-käytännöt hyödyttävät toimittajaa, sovellussuunnittelijan pöydälle päätyy piiri, joka on hyvin herkkä sovellustasoiselle ESD:lle. Piiri ei saa pettää käytössä tai käyttäjän tuottaman ESD:n takia. Onnistuakseen suunnittelijan täytyy valita sellainen komponentti kortilleen, joka on riittävän kestävä suojatakseen sovellusta vahvistuvia sähköisiä rasituksia vastaan. Lisäksi sen leikkausjännitteen täytyy olla riittävän alhainen suojatakseen herkkää integroitua piiristöä. Kun arvioit piirin ESD-suojausta, ota huomioon sen dynaaminen resistanssi ja IEC 6100-4-2 -luokitus.

Littelfusen SP1015 tarjoaa neljä kaksisuuntaista kanavaa 0,93 x 0,53 millin koossa.

Johtopäätös

Päällepuettavien laitteiden markkinoiden nopeasti kasvaessa on entistä tärkeämpää pohtia piirien suojausta ja sopivia piirikortin sijoittelukäytäntöjä suunnitteluprosessin aikaisessa vaiheessa, jotta varmistetaan laitteiden pitkäaikainen turvallisuus ja luotettavuus. TVS-diodit on suunniteltu toimimaan pienissä kokoluokissa, ja niiden korkea ESD-kestävyys auttaa suojaamaan sekä päällepuettavia laitteita että niiden käyttäjiä. TVS-diodikonfiguraation, diodien sijainnin ja johtimien pituuden määrittely ovat avainaskelia, joissa päällepuettavien laitteiden piirejä suojataan. Lisäksi HBM-, MM,- ja CDM-testausjännitteiden alentaminen haastaa suunnittelijoita löytämään suojausratkaisuja, jotka ottavat huomioon päällepuettavan elektroniikan ESD-kestävyyden (tai sen puuttumisen), jotta herkän piiristön suojaustarpeet tulevat huomioon otetuksi.