הגנת ESD עבור עיצובים אלחוטיים
פריקה אלקטרוסטטית (ESD) היא שחרור פתאומי ובלתי מבוקר של אנרגיה חשמלית סטטית. פריקה זו של אנרגיה חשמלית עלולה לפגוע במעגלים משולבים רגישים, ומתכנני מערכות אלחוטיות חייבים להיות מודעים ל-ESD.
יצרני מערכות אלחוטיות מפתחים מפרטי ESD מחמירים יותר, מה שמקשה על המשימה של מתכנני המעגלים. קיימים מגוון תקני ESD שונים, מה שמקשה על מאמץ התכנון. אנו רואים את שני התקנים הבינלאומיים הנפוצים ביותר: מודל גוף האדם HBM (מודל אנושי) ו-IEC1000-4-2. התקן הראשון מדמה תנאי מגע ומוחל על המכשיר; התקן השני משמש להגנת ESD ברמת המערכת.
הגנת ESD עבור עיצובים אלחוטיים עומדת בפני אתגרים מיוחדים. ישנן טכניקות שונות להגנת ESD, לכל אחת יתרונות וחסרונות משלה. עם זאת, עבור עיצובים אלחוטיים, ביצועים, שטח מעגל, משקל, צריכת חשמל ועלות כולם מעדיפים את השימוש ברשתות הגנת דיודות משולבות.
בהמשך, נדון כיצד ליישם את רשת הדיודות כדי להשיג את ביצועי הגנת ESD הטובים ביותר. ביצועים אופטימליים קשורים קשר הדוק לפריסה של לוח המעגלים כדי להבטיח שזרמי ESD יכולים להיכנס להתקן ההגנה מבלי לפגוע במעגלים המשולבים הרגישים. בנוסף, השימוש ברשת הגנת דיודות צריך לשים לב לבעיית הכיבוי של המערכת. לבסוף, אין דרך קלה לקשר בין ביצועי הגנת ESD של מכשיר לביצועי ההגנה של מערכת, אך ציון מתח הידוק להגנה על המכשיר היא דרך יעילה לחבר בין השניים.
מבחן HBMESD בתקן ESD משמש בדרך כלל עבור מעגלים משולבים, בעוד IEC1000 מגדיר את בדיקת ESD של המערכת. שניהם משתמשים במודל הפריקה ESD של קבלים העוברים דרך נגדים מגבילי זרם (איור 1). ההבדל הוא בגודל ערך המכשיר. עבור HBM, ערך הקבל הוא 100pF והנגד המגביל את הזרם הוא 1500Ω. שימו לב שזרם הפריקה השיא של IEC1000 גבוה כמעט פי 5 מזה של HBM עבור אותו מתח ESD. יתר על כן, IEC1000 משתמש בשיטות פריקת מגע ופריקת אוויר לבדיקת ציוד. התקן מגדיר את מתח ה-ESD של פריקת המגע כ-2kV עד 8kV, ומגע האוויר יכול להגיע ל-15kV. שים לב שזמן העלייה הנוכחי שצוין על ידי IEC1000 הוא פחות מ-1ns, מה שמצריך תגובה מהירה מאוד מהתקן ההגנה (איור 2). מאותה סיבה, פריסת הלוח היא קריטית להשגת הגנת ESD עבור מערכת.
שיטות הגנה אם יש לעמוד בדרישות הגנת ESD של IEC1000-4-2, ציוד תקשורת אלחוטי זקוק להגנה מתאימה. אזורים שנגעו בהם על ידי המשתמש, כגון לחצנים ויציאות I/O, רגישים ל-ESD ולכן דורשים הגנה. טכניקה פשוטה היא הצבת קבלים על קווי התקשורת כדי לספוג פולסי ESD, מה שמפחית את קצב האות ומגדיל את צריכת זרם הכונן. ניתן להשתמש ב- sparkgap על הלוח. ה-sparkgap נועד להתמזג במהלך דופק ה-ESD, והזרם מועבר לאדמה. עם זאת, טכנולוגיה זו תופסת מקום גדול וגורמת להגנת ESD לא אמינה לאחר ההזדקנות. ניתן לכבות התקני MOV (metaloxidevaristor) במתח גבוה וניתן להשתמש בהם ביישומים עם זמני תגובה איטיים. עם זאת, הנפח והקיבול הגדול שלהם הופכים אותם ללא מתאימים להגנה על קווי אות, וחיסרון נוסף הוא מאפייני ההזדקנות שלהם.
עבור דיודות זנר, למרות שהן מסוגלות להדק זרמים גדולים במתח נתון, היא מייצרת קיבולים טפיליים שאינם נחוצים לשמירה על קווי האות. לעומת זאת, דיודות מהירות ובעלות קיבולת נמוכה המחוברות לאדמה ולמתח הן פתרון טוב. הם יכולים להתמודד עם זרמי שיא גדולים, יש להם זרמי דליפה הפוכים קטנים, ויכולים לעמוד בפגיעות ESD מרובות ללא נזק; הוא מפנה בהצלחה את פעימות ה-ESD מהתקני הגנה רגישים ויש לו תוחלת חיים ארוכה. עם זאת, נדרש זוג דיודות אחד לכל קו שמירה. למרות המחיר הנמוך למכשיר, עלות ההתקנה הכוללת והשטח הנדרש הופכים פתרון מפוצל לבלתי מתאים.
לדוגמה, נדרשים 17 זוגות דיודות כדי להגן על היציאה המקבילית IEEE-1284. שילוב מספרים שונים של זוגות דיודות בחבילה אחת מביא לפתרון חסכוני אופטימלי.
עקרון הגנת ה-ESD של מערך דיודות רשת הגנת הדיודות המשולב הוא פשוט מאוד. לקו האות המוגן מתווסף זוג דיודות המחובר לאספקת החשמל והאדמה. במהלך פעולה רגילה, דיודות אלה מוטות לאחור, אך הטיה קדימה מתרחשת כאשר המתח בקו האות גבוה או נמוך יותר, בהתאמה, מהמתח במסוף המתאים. הטיה קדימה מתרחשת במהלך דופק ESD, כאשר הדיודה שואבת זרם לתוך ספק הכוח או האדמה, עוזבת את המכשיר המוגן, אשר נתון רק להלם מתח קטן וזרם.
מכיוון שפיני קלט/פלט של מעגלים משולבים מתוכננים לעמוד בפני מתחי HBMESD של 2kV, ההתקן המוגן יכול לעמוד באנרגיה זו, אולם הדבר מציב דרישות מחמירות יותר לרשת הדיודות החיצוניות. לפי השיטה של IEC1000-4-2, רשתות אלו צריכות להתנגד ל"פריקת מגע" של 8kV. יתר על כן, הוא גם צריך להדק את המתח מאחוריו כך שמעגלים משולבים או התקנים פסיביים אחרים לא ייפגעו. לבסוף, כדי לא לפגוע בביצועי האות, הקיבול הכולל של זוג הדיודות צריך להיות פחות מ-5pF.
מכיוון שיישומים אלחוטיים דורשים בדרך כלל חבילות טביעת רגל קטנות, התקני הגנה חייבים להיות ארוזים בחבילות SOT, MSOP ו-QSOP, שהן תחרותיות יותר מפתרונות בדידים (איור 3).
אופטימיזציה של הגנת ESD חייבת לשים לב לתכנון ולהתקנה של המעגל. ראשית, צמצם למינימום את השראות הטפילית בין נקודת הכניסה לדופק ESD לרשת ההגנה על דיודות (איור 4). השראות הטפילית תתנגד לשינויים מהירים בזרם הדופק של ה-ESD, ויאפשר לזרם ה-ESD הנכנס לרשת הדיודות לזרום לתוך המכשיר המוגן. בהקשר זה, על המעצב למקם את רשת הדיודה בין המשרן למכשיר המוגן, מה שמשפר את ביצועי הגנת ESD בשתי דרכים: המשרן מתנגד לשינויים מהירים בזרם ומתפשט לאורך זמן, ומפחית את זרם השיא; ESD הפולסים נאלצים לעבור תחילה דרך רשת הדיודות, ורק חלק קטן מהפולסים נכנסים להתקנים הבאים.
להלן מקלדת esd אלחוטית, עכבר esd אלחוטי, רצועת יד esd אלחוטית:
