Aby obvodům nevstaly vlasy hrůzou: tipy pro ochranu před poškozením napětím

Člověk se při normálních pohybech může nabít až na 10 000 voltů, ale všimne si pouze výbojů přes 3 500 voltů. I tak ale 100 voltů stačí k tomu, aby způsobilo značné poškození vysoce citlivých integrovaných obvodů. Proto je potřeba dbát na správnou ochranu proti elektrostatickému výboji ESD (Electrostatic Discharge) a omezení elektromagnetické interference EMI (Electromagnetic Interference) pro uživatelská rozhraní. Článek vysvětluje, co je třeba vzít v úvahu pro omezení poškození napětím, chybných funkcí a následného poškození v aplikacích HMI (Human Machine Interface) a jak může správný výběr součástek přispět ke snížení následných nežádoucích výdajů.

Obzvláště častým slabým místem pro výskyt přepětí jsou rozhraní, kde se například připojují kabely, ovládá displej nebo aktivují tlačítka. Napěťové špičky musí být omezeny dříve, než se dostanou k citlivým součástem a způsobí jejich poškození nebo nesprávnou funkci. Ve většině případů je příčinou poruch vyvolaných ESD nedostatečné provedení zařízení, při němž výbojová cesta impulzu ESD vede do desky plošných spojů a tam umožňuje propojení s jinými součástkami. V okolí výbojové cesty ESD je už tak na vstupní straně odváděno hodně napětí na sousední vodivé dráhy, aby mohlo způsobit chybné funkce. Z tohoto důvodu by neměly být výbojové cesty umístěny v blízkosti obvodů citlivých na vstupní vazby, jako jsou datové linky a plošné spoje, mikrokontroléry, analogově- -digitální převaděče nebo operační zesilovače. Cesta signálu ze snímače do mikrokontroléru se jinak může narušit.

Důsledkem nekontrolovaného napětí jsou tvrdé nebo měkké poruchy. První jsou výsledkem přímého napojení impulzu ESD a lze je hned rozpoznat podle zničených součástí (tepelný nebo dielektrický průraz p/n přechodu, roztavení metalizace). Měkké poruchy jsou chybné funkce, které vznikají parazitními vazbami během události ESD.

Jedna pro vše – ale ne u ochrany před ESD

Diody přepěťové ochrany (TVS diody) se používají především v citlivých oblastech, jako jsou stejnosměrné napájecí zdroje, bezpečnostní a monitorovací systémy, a také v telekomunikačním a automobilovém průmyslu k ochraně desek plošných spojů náchylných na poruchy. Jsou to součástky, které mají z ochranných diod nejlepší vlastnosti, přičemž se zapojují paralelně k zátěži, která má být chráněna. Hlavními výhodami TVS diod jsou jejich krátká doba odezvy a nízká kapacita. Jsou to lavinové prvky pro stabilizaci napětí v jednosměrném a obousměrném provedení, které se vyznačují vysokým závěrným napětím a využitím lavinového efektu. Například diody TransZorb a TVS diody PAR® od Vishay Semiconductors nabízejí širokou škálu řešení jednosměrné a obousměrné polarity.

Při použití ochranných diod je třeba věnovat pozornost tomu, pro která místa jsou vhodná: Diody SMF (Surface Mount Flat) od firmy Vishay se vyznačují například rychlou dobou odezvy, a proto jsou ideální pro ochranu před přechodným vysokým napětím v přenosné elektronice, jako jsou notebooky, tablety a externí pevné disky. Řada SMF navíc umožňuje pájení vývodů při vysokých teplotách až 260 °C / 10 s, což je důležitá specifikace, protože mezi možné přenašeče náboje patří kromě lidí i průmyslová výrobní zařízení, včetně pájecích hrotů.

Při výběru správné diody jsou další výzvou stále menší velikosti struktur v elektrických obvodech, protože polovodičové struktury jsou navzdory zmenšeným rozměrům konfrontovány se stejným napětím. Diody eSMP® SMF ESD-/TVS (eSMP − enhanced Surface Mount Power Packages) přicházejí například s obzvláště nízkým SMF pouzdrem (1mm) a vysokou vybíjecí schopností 200 W při 10/1000 μs.

Pro identifikaci správné diody je zpravidla nutné respektovat následující parametry:

• ztráta pulzního výkonu P_PPM při definovaném proudovém pulzu I_PP (například tvar pulzu 10/1000 μs nebo 8/20 μs),
• maximální závěrné napětí V_WM (Reverse working voltage),
• minimální průrazné napětí V_BR (Reverse breakdown voltage − zhruba 10 % nad VWM)
• a maximální svorkové napětí V_C (Reverse clamping voltage).

Důležité přitom je, aby byly napěťové špičky v případě poruchy omezeny na tuto hodnotu. Kromě toho musí všechny části obvodu odolat tomuto zatížení.

U diod řady TVS je ztráta pulzního výkonu obvykle specifikována proudovým pulzem 10/1000 μs. Tato hodnota je produktem I_PP a V_C:

P_PPM = I_PP ∙ V_C

Známka kvality – standard IEC

Standard odolnosti proti elektrostatickému výboji je definován Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC) v normě 61000-4-2 a vztahuje se na součásti v zařízeních, která jsou určena pro použití koncovými uživateli. S externí ochranou proti ESD, která navíc doplní integrovaná opatření HBM na čipu (Human Body Model), musíte věnovat pozornost pouze viditelným vstupům a výstupům integrovaných obvodů. Norma stanoví odolnost vůči napětí ±15 kV při přenosu vzduchem a ±8 kV při přímém kontaktu. Diody SMF Vishay dokonce nabízejí odolnost proti ESD ±30 kV (výboj vzduchem a kontaktní vybití), a tím obzvláště vysokou ochranu před nežádoucími výboji.

Takzvaný tvar vlny 8 kV IEC61000-4-2 má dvě charakteristiky: První proudová špička má velmi krátkou dobu náběhu, menší než 1 ns, ale vysokou hodnotu proudu. Zde je proto nutná ochranná dioda proti ESD s rychlou dobou odezvy. Při velmi nárazovém, maximálním proudu 18 A navíc vždy následuje druhý nárůst.

Pět tipů na strukturu uspořádání pro ochranu před ESD

1. Ochrannou diodu umístěte co nejblíže vstupnímu bodu přepětí:

Obvykle se jedná o rozhraní k uživatelskému rozhraní nebo propojení deska-deska (board-to-board). Dráha, kterou by měl proud procházet ochrannou diodou, musí být udržována co nejkratší, aby se minimalizovala případná parazitní indukčnost nebo odpor. Kromě toho se zabrání propojení pulzu ESD se sousedními vodivými dráhami.

2. Nechte přepěťový proud protékat ochranou ESD:

Vyšší indukčnost a vyšší odpor na cestě k čipu pomáhají snížit nárazovou energii a napětí působící na chráněnou součást.

3. Citlivé součástky umístěte co nejdále od vstupu a diody:

Část parazitního odporu pomůže snížit napěťovou špičku pulzu ESD a nabízí tak další ochranu.

4. Čím méně obvodových smyček, tím lépe:

Síla indukovaného elektrického napětí je totiž úměrná velikosti smyčky. Indukovaný proud ve smyčce vodiče obklopuje měnící se magnetický tok. Pokud k tomu dochází elektrostatickým výbojem, může náhlé zvýšení síly indukovaného proudu resp. napětí způsobit poškození.

5. Kvalita se vyplatí:

Trh s ochrannými diodami představuje velké množství modelů v nejrůznějších cenových hladinách. Stejně jako u všech ochranných opatření by však při výběru vestavěných diod měla být kvalita důležitější než cena. Podle rčení „Kdo kupuje levně, kupuje dvakrát“ riskuje vážné poruchy s vysokými ekonomickými ztrátami. Při výběru TVS diody pro vaše použití jsou důležitými parametry odolnost proti přepětí, spolehlivost při vyšších teplotách a prostorově úsporná konstrukce.