CC BY
18Знакомство с устройствами защиты
от электростатических разрядов
Ёшиюки КОБАЯШИ (Yoshiyuki KOBAYASHi)
Одна из самых крупных угроз для чувствительных компонентов мобильного телефона — электростатический разряд. Он представляет собой внезапный высоковольтный скачок напряжения, вызванный соприкосновением или близостью друг к другу заряженных объектов. Поскольку напряжение при таком скачке обычно измеряется тысячами вольт, оно способно повредить чувствительные компоненты системы, например интегральные схемы. Электростатический разряд может происходить, когда электронное устройство приближается к человеческому телу или другому устройству (контакт машинного интерфейса). Характерным примером может служить процесс соединения двух устройств — скажем, подключение мобильного телефона к ноутбуку. Если пользователь прикоснется рукой к соединительным контактам, или если на одном из соединяемых устройств накопился заряд, может произойти электростатический разряд.
Современные электронные системы становятся все более восприимчивыми к электростатическим разрядам. Уменьшаются размеры функциональных узлов ИС, а соответственно, и размеры транзисторов, из которых они состоят. Чем меньше размеры функциональных узлов, тем выше вероятность пробоя слоев кремния, а также обрыва металлических токоведущих дорожек или образования перемычек между ними. Вдобавок новые стандарты высокоскоростной передачи данных, такие как USB 3.0 и HDMI, предъявляют более строгие требования к целостности сигнала, чем когда-либо прежде.
Поэтому для предохранения чувствительной электроники от необратимого повреждения электростатическими разрядами необходимо встраивать в нее специальные защитные устройства. Эти устройства, которые могут быть нескольких различных типов, уводят заряд от чувствительных компонентов системы, таких как ИС. При электростатическом разряде такое устройство ограничивает напряжение определенным уровнем, а ток разряда отводит на землю.
РЧ (GPS, NFC, Bluetooth и т. д.)
Высокоскоростная линия передачи данных i
Немодулированная передача по сети питания
<0,1 пФ <1 пф
Емкость
Рис. 1. Выбор устройства электростатической защиты для конкретного применения
Чтобы правильно выбрать тип устройства электростатической защиты для того или иного применения, необходимо учесть различные факторы. Например, в аппаратуре высокоскоростной передачи данных емкость защитных устройств должна быть менее 1 пФ, чтобы большая емкость не сказывалась отрицательно на целостности сигнала. На рис. 1 приведена диаграмма зависимости напряжения подавления электростатических разрядов от емкости, с помощью которой компания Murata помогает своим клиентам правильно выбрать устройство электростатической защиты для конкретного применения.
Традиционные устройства электростатической защиты
Варисторы представляют собой, по сути, нелинейные переменные резисторы, а разрядники (suppressors) — варисторы с малой емкостью. Эти устройства относительно недороги, но имеют ряд недостатков. Во-первых, это невысокие рабочие характеристики: типичное напряжение ограничения разрядника может составлять 150-500 В, что много выше предельно допустимых напряжений для большинства ИС. Во-вторых, срок их службы ограничен обычно 10-20 срабатываниями.
Ограничители переходного напряжения (стабилитроны) обеспечивают быстрый отклик при электростатическом разряде, но имеют относительно низкий предельный ток, поэтому их применение ограничено цепями с малыми бросками тока. Срок их службы достаточно велик, и обычно они используются для защиты линий высокоскоростной передачи данных, поскольку их можно включать последовательно для снижения емкости.
Компания Murata предлагает еще два типа устройств электростатической защиты — керамические и кремниевые.
Керамические устройства электростатической защиты
Керамические устройства электростатической защиты отличаются сверхмалой емкостью (0,05 пФ), что позволяет использовать их на высокоскоростных линиях передачи данных, а также чрезвычайной надежностью и долговечностью. На рис. 2 показаны осциллограммы напряжения при электростатическом разряде напряжением 8 кВ со-
элементы защиты
компоненты
75
350
300
ш 250
а)
х аз 200
150
от
т 100
50
0
1
Осциллограмма (30 не) напряжения ЭСР Vorp
Контактный разряд 8 кВ, IEC 61000-4-2, уровень 4
Murata (0,05 пФ) Варистор (3 пФ) Варистор (1 пФ)
0 4
12 16 20 24 Время, не
28
32
36
40
Рис. 2. Рабочие характеристики керамических устройств электростатической защиты Murata
140
120
m 100
а) 80
X
£ 60
й.
40
J.
20
0
-20
Контактный разряд 8 кВ, IEC 61000-4-2, уровень 4
| LXES2TBCC4-028 —Конкурирующий компонент
Jf Murata TVS-диод
Пиковое напряжение 40 В 120 В
tv Напряжение ограничения 8 В
-20
20
40
Время, не
60
80
100
Рис. 3. Сравнение кремниевого устройства электростатической защиты Murata с TVS-диодом
гласно стандарту 1ЕС61000-4-2 (уровень 4). Красной кривой показана осциллограмма для керамического защитного устройства емкостью 0,05 пФ: пиковое напряжение доходит до 300 В, но напряжение ограничения удерживается равным 40 В. Сравните этот результат с осциллограммами для варисторов емкостью 1 пФ (зеленая кривая) и 3 пФ (синяя кривая), у которых напряжение ограничения составляет 200 и 100 В соответственно. Вдобавок керамические устройства характеризуются чрезвычайно низкими вносимыми потерями (-0,004 дБ на частоте 2,4 ГГц), что также выгодно отличает их от варисторов. Типичные размеры керамического устройства электростатической защиты МигаЬ — 1x1,5x0,33 мм.
Кремниевые устройства электростатической защиты
Кремниевые устройства электростатической защиты также имеют великолепные характеристики подавления электростатических разрядов, но емкость их не так мала, как у керамических устройств, и составляет порядка 0,25 пФ.
К преимуществам кремниевых устройств электростатической защиты относится малое время срабатывания, позволяющее минимизировать пиковое напряжение. На рис. 3 сравниваются характеристики одного из кремниевых защитных устройств Мига1а и TVS-диода при контактном разряде напряжением
8 кВ согласно стандарту 1ЕС61000-4-2, уровень 4. В ходе дальнейших испытаний кремниевое устройство также продемонстрировало весьма малое сопротивление в открытом состоянии — всего 0,3 Ом по сравнению с 0,8 Ом у TVS-диода. Малое сопротивление в открытом состоянии позволяет снизить напряжение ограничения (в данном случае всего до 8 В по сравнению с 35 В у TVS-диода).
Одно из главных преимуществ кремниевого устройства по сравнению с керамическим — наличие многоканальных версий, позволяющих сэкономить место на плате
в современной компактной электронной аппаратуре, где свободное пространство ценится очень высоко. На рис. 4 сравниваются варианты с использованием дискретных компонентов и одного 10-канального кремниевого устройства электростатической защиты Murata, которое также оснащено встроенными LC-фильтрами для защиты от ЭМП. Размеры многоканального устройства Murata — всего 2x2 мм, тогда как дискретное решение на базе варисторов и LC-фильтров занимает на плате более чем в 10 раз больше места.
В продаже имеется широкий ассортимент кремниевых устройств электростатической защиты с разными размерами корпуса, емкостью и числом каналов для различных применений.
Антенна мобильного телефона — ключевой интерфейс между системой и внешним миром, который, разумеется, восприимчив к электростатическим разрядам. Для защиты антенны от статического электричества можно использовать недорогое керамическое устройство сверхмалой емкости, такое как LXES15AAA1-100, или одноканальное высокоэффективное кремниевое устройство малой емкости, такое как LXES1UBBB1-008. Вместо них можно также использовать 2-канальное кремниевое устройство электростатической защиты (например, LXES1TBAA2-013), которое при соединении двух каналов через катушку индуктивности образует дополнительно фильтр ЭМП (рис. 5).
Многоканальные устройства электростатической защиты особенно удобны для защиты линий передачи данных (например, интерфейса USB 2.0). Можно применять для этой цели и одноканальные устройства, но рациональнее использовать матричные решения, особенно в случае двойных портов. Подходящее для этой цели 4-канальное устройство, такое как LXES2TBCC4-028, имеет размеры всего 2,5x1 x0,6 мм и емкость 0,5 пФ. Еще выгоднее применять матричные решения в аппаратуре с интерфейсом USB 3.0, так как у него больше
Фильтрующая цепочка
2 мм
Варистор
|~б~| 2 мм *
г 2
CN
Рис. 4. Решение на 10 линий: а) дискретное; б) от компании Murata
Модуль камеры/
линия передачи данных ЖК-дисплея
Фильтр ЭМП + устройство электростатической защиты
4 канала 8 каналов
Рис. 5. Компоненты электростатической защиты в типичном мобильном телефоне
линий передачи данных, требующих защиты. Порты HDMI, FireWire и DVI с их большим числом линий передачи данных также можно защищать многоканальными матричными кремниевыми устройствами.
Клавиатура мобильного телефона — еще одно место, где имеет смысл использовать многоканальные матрицы, особенно со встроенными фильтрами ЭМП. Когда пользователь прикасается к клавиатуре, возникают излучаемые помехи и электростатические разряды. Типовое решение для такого применения — два 4-канальных устройства (LXES1WCAA4-038), оснащенных встроен-
ным фильтром ЭМП, или одно 8-канальное устройство (LXES3YCAA8-039).
Чтобы защитить от электростатических разрядов громкоговоритель и микрофон, достаточно пары одноканальных устройств. Керамическое устройство LXES15AAA1-Ю0 размерами 1x0,5x0,33 мм или кремниевое устройство LXES1UBAA1-096 размерами 1x0,6x0,6 мм позволят сэкономить место на плате и удержать себестоимость на низком уровне.
Существует множество типов устройств электростатической защиты — от TVS-диодов/стабилитронов и варисторов до крошечных керамических и кремниевых
устройств, производимых компанией Murata. Чтобы правильно выбрать компонент для конкретного применения, необходимо учесть характеристики защитного устройства, количество доступного пространства на плате и себестоимость. Керамические устройства характеризуются сверхмалой емкостью, весьма длительным сроком службы и низкой стоимостью. Кремниевые устройства имеют малую емкость и малое время отклика, а также предусматривают возможность многоканального решения в одном корпусе со встроенной защитой от ЭМП, что позволяет сэкономить место на плате. ■
