Знакомство с устройствами защиты от электростатических разрядов

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.

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.

Рис. 1. Выбор устройства 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 согласно стандарту IEC61000-4-2 (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 Murata — 1×1,5×0,33 мм.

Рис. 2. Рабочие характеристики керамических устройств электростатической защиты Murata

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 Murata и TVS-диода при контактном разряде напряжением 8 кВ согласно стандарту IEC61000-4-2, 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).

Рис. 3. Сравнение кремниевого устройства электростатической защиты Murata с TVS-диодом

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 2×2 мм, тогда как дискретное решение на базе варисторов и LC-фильтров занимает на плате более чем в 10 раз больше места.

Рис. 4. Решение на 10 линий: а) дискретное; б) от компании Murata

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).

Рис. 5. Компоненты электростатической защиты в типичном мобильном телефоне

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 2,5×1×0,6 мм и емкость 0,5 пФ. Еще выгоднее применять матричные решения в аппаратуре с интерфейсом USB 3.0, так как у него больше 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 встроенным фильтром ЭМП, или одно 8-канальное устройство (LXES3YCAA8-039).

Чтобы защитить от электростатических разрядов громкоговоритель и микрофон, достаточно пары одноканальных устройств. Керамическое устройство LXES15AAA1-100 размерами 1×0,5×0,33 мм или кремниевое устройство LXES1UBAA1-096 размерами 1×0,6×0,6 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.