Frage:
Wie notwendig ist ESD-Schutz wirklich?
Foxie
2018-04-14 04:41:06 UTC
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Ich frage nicht nach der Herstellung. Ich frage nach der Entwicklung von Elektronik, um den normalen Einsatz im Feld zu überstehen. Ich möchte herausfinden, wie wichtig es ist, TVS-Dioden in mein Design aufzunehmen.

Wie ich in meiner vorherigen Frage erwähnt habe, hat sich in den 80er und 90er Jahren selten jemand die Mühe gemacht, einen ESD-Schutz in E / A-Leitungen aufzunehmen. Diese Geräte scheinen in Ordnung zu überleben.

Ich kann mir vorstellen, dass dies davon abhängt, an welche Art von ICs die E / A-Leitungen angeschlossen sind. In den 80er und 90er Jahren waren dies im Allgemeinen NMOS-VLSIs, frühe CMOS-VLSIs, CMOS- und TTL-Gates.

Sind moderne 5-V-MCUs anfälliger als 74HC-Gates, was die Aufnahme von TVS-Dioden in die E / A-Pins rechtfertigt?

Gibt der Steckertyp den Grad des erforderlichen ESD-Schutzes vor? Ich kann sehen, dass eine D-Sub-Buchse ohne ESD-Schutz einigermaßen sicher ist - es sei denn, das Kabel selbst ist aufgeladen.

Wenn ich TVS-Dioden benötige, brauche ich dann auch Vorwiderstände? Ich habe im Datenblatt nach einem geeigneten 5-V-Fernseher gesucht, der einen maximalen Spannungsabfall von 24 V beim Rangieren einer 20-Ampere-ESD-Spitze angibt. Wenn ich das Fernsehgerät direkt an den E / A-Pin anschließe, leitet die ESD-Diode im IC. 24 V sind viel größer als der 0,3 V ESD-Diodenabfall

Ich könnte einen 33-Ohm-Vorwiderstand zwischen das Fernsehgerät und den E / A-Pin legen. Dies begrenzt den Strom durch die interne ESD-Diode auf weniger als einen Ampere, dem er wahrscheinlich standhalten kann. Aber ist es wirklich notwendig? Ich habe viele E / A-Pins und möchte den Widerstand lieber meiden. Kann ich mich darauf verlassen, dass die ESD-Diode einen ausreichend hohen dynamischen Widerstand aufweist, damit das Fernsehgerät den größten Teil der Entladung übernimmt?

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Sie sollten ESD-Schutz für alles einschließen, was jemand berühren könnte, nachdem er einen Ballon auf sein Haar gerieben hat.
Sie rätseln über etwas, das wir Konstrukteure als Teil der Montage akzeptieren.Der Widerstand an den Eingängen eignet sich hervorragend für ICs mit eingebauten Klemmdioden. Fügen Sie außerdem Zener oder TVS hinzu, um zu helfen.Es ist wahrscheinlicher, dass sie vor dem Zusammenbau statische Schäden durch Personen erleiden, die mit ESD-Verfahren unachtsam / nicht geschult sind.
Foxie du hast eindeutig keine Felderfahrung.In den 70er Jahren habe ich sogar TTL mit ESD geblasen, und CMOS-Latchup an langen E / A-Kabeln wurde immer erwartet, sofern nicht geschützt.Auch wenn es noch funktioniert, ist keine Garantie, dass Sie es nicht mit teilweise verbrücktem Silizium verwundet haben.und höhere Sperrschichtkapazität.
Ich bin mir bewusst, dass TTL ESD-empfindlich ist, aber es scheint, dass die meisten Consumer-Designs der 80er und sogar 90er Jahre kaum Schutz bieten.Ich habe einiges an Reparaturarbeiten durchgeführt, aber es scheint relativ ungewöhnlich zu sein, einen ausgefallenen Puffer an den E / A-Ports zu finden.Die einzige Erklärung, die mir einfällt, ist, dass das Steckerdesign diese Stifte schützt.Was die Verwendung von Widerständen zum Schutz von Stiften betrifft, wurde mir gesagt, dass dies nicht immer funktioniert, da der Widerstand intern zusammenbrechen kann, wenn er mehreren zehn kV ausgesetzt wird.
Nicht jedes Gerät, das ausfällt, ist einer ESD-Spannung von 5 bis 15 kV ausgesetzt, aber die Impulsspannungen haben manchmal das 4-fache der Impulsdurchbruchschwelle gegenüber Gleichstrom, abhängig von Kapazität, ESR und Ionisationszeit.Aber angesichts der Neoprensohlen und eines Nylonteppichs könnte ich sicher die meisten Geräte zerbrechen, die nicht für diesen Stress ausgelegt sind.Die Ionisationszeiten erhöhen tendenziell die Widerstandsschwelle für Passive in Abhängigkeit von Oberflächenverunreinigungen.~ x4 wenn ionisch sauber für Impulse im Submikrosekundenbereich
Moderne Fets und Dioden sind viel leistungsfähiger als früher, so dass die Robustheit nicht nachgelassen hat.Tatsächlich waren die Dinge besser als zuvor, als sie CMOS-Schutzdioden ausgearbeitet hatten (74HC), wie Tony bemerkt
Die physische Lücke ist eine andere Sache, in der entworfen werden muss. Eine 0402 ist keine sehr große Lücke, die umgangen werden muss.Auch PCB-Design, um Fehlerstrompfade bereitzustellen, die um die kritischen Komponenten herum und nicht durch diese verlaufen
"Ich habe viele E / A-Pins und ich würde den Widerstand lieber meiden."- Warum?
Fünf antworten:
#1
+6
Ale..chenski
2018-04-14 05:45:07 UTC
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Ich habe mindestens fünf Fragen in Ihrer Frage gezählt. Ich werde versuchen, nur wenige zu beantworten.

Zu Beginn gibt es mehrere Ebenen von ESD-Ereignissen, die vom OEM der Geräte für unterschiedliche Umgebungen und andere Betriebsbedingungen festgelegt werden können, die alle in der Norm IEC 61000-4-2 klassifiziert sind.

Ja, das Steckverbinderdesign spielt eine wichtige Rolle bei der Ausfallrate elektronischer Geräte. Wenn ein Stecker über eine ordnungsgemäß verlegte Abschirmung verfügt und die Signalstifte im Inneren versenkt sind, besteht eine viel geringere Wahrscheinlichkeit, dass die Signale einem direkten ESD-Ereignis ausgesetzt sind, sodass möglicherweise weniger ESD-Schutz erforderlich ist.

Zweitens helfen TVS-Dioden auch dann, wenn sie eine Begrenzungsspannung von 20 bis 25 V haben. Dies ist immer noch deutlich weniger als die 4-kV-Entladung eines normalen Ereignisses zwischen Mensch und Körper, sodass sie durch internen Schutz einfacher zu handhaben ist.

Und ja, in den 80er Jahren betrug die Strukturgröße von Siliziumelementen von Transistoren 2000 nm, heute ist sie viel kleiner, 1/100 davon, was sie viel anfälliger für dieselbe ESD-Energie macht. Und nein, es gibt keine moderne "5V" MCU, moderne MCU sind "1V" MCUs. Die "5-V-tolerante MCU" ist die Explosion aus der Vergangenheit. Es gibt möglicherweise eine "5V" -tolerante MCU, aber entweder entspricht ihre Funktionalität nicht den modernen IoT-Anforderungen, oder Sie müssen dafür eine Prämie zahlen.

Die restlichen Fragen sind unbedeutende Details.

Kurz gesagt, Sie möchten wahrscheinlich, dass Ihr Produkt im Verbraucher- oder Industrieumfeld überlebt, und möchten sich nicht mit dem Austausch von Produkten und den damit verbundenen Kosten und dem Risiko befassen, das Geschäft einzustellen. Sie müssen sich entscheiden, ist Ihr Geschäft für Sie notwendig? Wenn ja, stellen Sie keine Fragen und nutzen besser alle gesammelten technischen Erkenntnisse, um Ihr Design vor ESD zu schützen.

Ja, wenn reines Silizium 30 kV / mm oder 30 V / um aushält und die Sperrschichtkapazität von 30 auf 1 ~ 3 pF verringert wird, werden bei kleineren Lücken die Fehlerempfindlichkeit für Transienten schneller erhöht, als die Ausgangsschutzdioden für sehr kurze Lücken reagieren könnenAnstiegszeiten im Bereich von 10 bis 100 ps
Danke, also kann ich den Vorwiderstand weglassen?Mein Eindruck ist, dass die so kleine ESD-Diode dazu führen würde, dass der Großteil des Stroms ohnehin über das Fernsehgerät geleitet wird.
@Foxie, Hier geht es nicht um einen Eindruck oder ein anderes subtiles Gefühl.Hiermit wird eine Grundfläche für den ESD-Schutz entworfen, normalerweise mit mehreren Optionen, und Ihr Produkt wird in einer Standard-Zapping-Tabelle gemäß den IEC 61000-4-2-Spezifikationen auf das von Ihrem Kunden und seiner Arbeitsumgebung geforderte Niveau getestet.Wenn es mit großem Spielraum besteht, können Sie Widerstände entfernen und erneut testen.usw.
#2
+3
Henry Crun
2018-04-14 09:04:05 UTC
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Robustheit ist eine Designentscheidung, die Sie treffen.

Vergleichen Sie einen kleinen PIC / 74HC mit dem SOC in einem Himbeer-Pi oder

?

PIC oder andere kleine 5-V-Mikro- oder 74-HC-Logik: - geringe Anzahl von Stiften - viel Platz für breite Metallschienen - Hochstromstifte 50mA fähig = große Fet-Fläche - Echte CMOS-Schutzschaltung - Lädt statische Aufladung nur mit Diodenabfall auf das Netzteil ab - große Pads + große Transistoren = große Schutzdioden = großer Fehlerstrom - Der verwendete grundlegende cmos-Prozess ist 3,3 oder 5 V

SOC / Super-Micro / fpga - Bazillion Stifte zickzackförmige Bondpads, feine Metallisierung, um zwischen ihnen zu fädeln - kleine Fets, geringe Stromstärke. Muss so sein, da es so viele Stifte hat -? V-toleranter Eingang - geschützt durch eine Zeneranordnung: Statik wird in der Schutzdiode selbst abgeleitet und nicht zur Versorgung der Schienen abgeladen - winzige Bondpads und Fets = winzige Schutzstruktur = winzige Ausfallenergie. - Niederspannungs-Grundprozess 1,5 V - 2,5 V

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Also zusammenfassend:

Hi-Tech-Teile: 7-fache Verlustleistung in 1/10 des Pad- / Transistor- / Metallisierungsbereichs, in einem cmos-Prozess 2x mehr Spannungsempfindlichkeit = 140x weniger robust. [Flammenkrieg beginnt auf dem Parkplatz, wenn die Bar schließt]

Ja, es gibt einen großen Unterschied in der Notwendigkeit des Schutzes. Es gibt jedoch große Unterschiede in der Robustheit, und es sollten bewusste Entscheidungen getroffen werden.

#3
+1
Michael Karas
2018-04-14 05:49:28 UTC
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Sie können die Wiederholung vieler TVS-Dioden für jede E / A-Leitung vermeiden, indem Sie kostengünstigere Dioden wie BAT54S zum Anschließen an die Signalleitung verwenden.Die Katode der oberen Diode ist mit einem gemeinsamen Fernsehgerät verbunden, das von mehreren E / A gemeinsam genutzt werden kann.Die gemeinsame Anode / Kathode-Verbindung verläuft zur Signalleitung.Schließlich geht die Anode der unteren Diode zu GND.

#4
+1
lucky bot
2018-04-14 14:05:06 UTC
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Benötigen Sie wirklich eine Ausgangsimpedanz von 33 Ohm für Ihre E / A.Wenn Sie dies nicht tun, können Sie einfach 10k setzen und vermeiden, dass Ströme einrasten, während interne ESD-Dioden die Arbeit erledigen.

#5
+1
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
2018-04-15 00:07:37 UTC
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  • Faraday entdeckte, dass der Widerstand eines Ionisationsbogens umgekehrt zur Stromdichte war. Ich habe dies in Maxwells Buch A-Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus gelesen ein eBooK.pdf

ESD-Schutz ist nicht trivial. Lernen Sie also so viel wie möglich und befolgen Sie die Best Practices.

Somit haben die Impedanz des Human Body Model (HMB) 100pF und des Cart-Modells von 300pF signifikant unterschiedliche Impedanzen in einem Entladungsereignis, nicht nur wegen C, sondern auch wegen der nicht angegebenen Grenzflächenstromdichte, die tatsächlich abhängig von E variiert Feld am Kontaktpunkt. Eine glatte Oberfläche hat eine etwa 3x höhere dielektrische Isolation zum Durchbruch als ein scharfer Punkt. Da der Spalt kleiner sein kann, hat der Strom eine geringere Ausbreitungswirkung und ist ein höherer Strom, eine höhere Dichte und eine viel schnellere Anstiegszeit und damit eine viel höhere Bandbreite. (RC = T = 0,35 / f). Entladungen in Dielektrika in großen ölgefüllten Transformatoren können >>10GHz überschreiten und umfassen auch das optische Spektrum

ESD-Ströme sind somit variabel, aber die Quellenenergie des Testmodells ist fest, wie durch C und V definiert, aber der Leistungspegel hängt davon ab, wie kurz die Impulsdauer wird.

Wir wissen auch, dass die Diodenkapazität umgekehrt zur Leistungskapazität und zum ESR der Diode ist. Aufgrund von Konstruktionsunterschieden wissen wir, dass TVS die besten (FOM) für zenerähnliche Qualitäten haben und winzige Schottky-Dioden mit zwei Stufen für ESR * C = T weiterhin die beste Lösung für CMOS-Kompromisse zwischen internem Schutz zwischen maximaler Geschwindigkeit und Maximaler Schutz. Schließlich müssen alle Dioden schneller als der CMOS-Latchup reagieren, um sie zu schützen. Die Größe begrenzt diese Dioden jedoch auf maximal 5 bis 10 mA Gleichstrom aus einer Gleichstromableitung. Absolutes Maximum.

So wie kommt es, dass zwei Stufen besser sind und für einen besseren Schutz das Hinzufügen von TVS dies verbessern kann?

Intuition und einfache Übertragungsfunktionen zeigen, dass das große Serien- / Nebenschlussimpedanzverhältnis jeder angelegten Spannung eine größere Dämpfung aufweisen kann als eine niedrige Serienimpedanz.

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Ratschläge

Wenn Sie den Schutz erheblich mit einer Serie R oder einer Ferritperle verbessern möchten, solange dies Ihre gewünschte Bandbreite nicht von L / R oder 1 / RC = 0,35 / f verschlechtert. Ein kleiner Wulst ist wie ein 100-pF-Shunt, erhöht jedoch die Anstiegszeit, damit die Shunt-Dioden schneller als die Eingangsanstiegszeit reagieren können.

Ich habe nicht genug Zeit, um mich den jüngsten Forschungen zu widmen und sie auf eine Seite zu reduzieren, aber es gibt laufende Forschungen, da die CMOS-Lithographie weiter schrumpft.

• Für den 65-nm-ESD-Schutz wurde eine neue Diodenstrangstruktur entwickelt. • Es besitzt eine 30% niedrigere Klemmspannung, eine 15% niedrigere Überschwingspannung bei sehr schnellem ESD-Impuls REF

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