Statischer Schutz häufige Probleme und Lösungen
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Der Umfang moderner Halbleiterbauelemente wird immer größer und die Arbeitsspannung wird immer niedriger, was zu einer Empfindlichkeit von Halbleiterbauelementen gegenüber äußeren elektromagnetischen Störungen führt. ESD hat die Interferenzen, die durch Schaltkreise, Schäden an Komponenten, CMOS-Schaltungen und Schnittstellenschaltungen verursacht werden, immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die ESD von elektronischen Geräten wurde als wichtiger Bestandteil der elektromagnetischen Verträglichkeitsprüfung in nationale und internationale Normen aufgenommen.
Elektrostatische Ursachen und deren Schaden
Wenn statische Elektrizität von zwei Substanzen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten gerieben wird, sammeln sich die positiven und negativen polaren Ladungen an zwei spezifischen Körpern an. Wenn zwei Objekte in Kontakt stehen, zieht eines von ihnen Elektronen an und bildet somit unterschiedliche Ladepotentiale. Im Falle des menschlichen Körpers ist die statische Elektrizität, die durch die Reibung zwischen der Kleidung und der Haut erzeugt wird, eine der Hauptursachen für das Aufladen des menschlichen Körpers.
Wenn die statische Stromquelle mit anderen Objekten in Kontakt steht, gibt es einen Ladungsfluss gemäß dem Mechanismus der Ladungsneutralisierung, der genügend Energie überträgt, um die Spannung auszugleichen. Während der Übertragung von Hochgeschwindigkeitsleistung werden potentielle Spannungen, Ströme und elektromagnetische Felder erzeugt. In schweren Fällen werden Objekte zerstört. Dies ist eine elektrostatische Entladung. Es ist in der nationalen Norm definiert: Elektrostatische Entladung ist ein Ladungstransfer, der durch die Nähe oder den direkten Kontakt spezieller elektrostatischer Potentiale (GB / T4365-1995) verursacht wird und im Allgemeinen durch ESD ausgedrückt wird. Eine elektrostatische Entladung kann zu schweren Schäden oder Fehlfunktionen von elektronischen Geräten führen.
Elektrostatische Schäden am Gerät sind sowohl dominant als auch rezessiv. Der verborgene Schaden war zu dieser Zeit nicht sichtbar, aber die Vorrichtung wurde brüchiger und wurde unter Überdruck und hohen Temperaturen leicht beschädigt.
Die zwei Hauptfehlermechanismen von ESD sind: Die durch den ESD-Strom erzeugte Wärme verursacht einen thermischen Ausfall der Vorrichtung; Die durch ESD induzierte Überspannung führt zum Isolationsbruch. Beide Arten von Schäden können gleichzeitig in einem Gerät auftreten, z. B. kann ein Isolationsdurchbruch große Ströme anregen, was wiederum zu einem Wärmeausfall führt.
Zusätzlich zu den Schäden, die durch die Schaltung verursacht werden, kann durch die elektrostatische Entladung sehr leicht eine Störung der elektronischen Schaltung verursacht werden. Elektrostatische Entladungen können auf zwei Arten mit elektronischen Schaltkreisen interferieren. Eine ist leitungsgebundene Interferenz und die andere ist abgestrahlte Interferenz.
Die Konstruktion digitaler Produkte und ihre ESD-Probleme
Heutzutage werden die Funktionen verschiedener digitaler Produkte immer stärker, während die Boards immer kleiner werden und die Integration immer höher wird. Ein mehr oder weniger großer Teil der Schnittstelle wird für die Mensch-Computer-Interaktion verwendet. Daher besteht ein ESD-Problem der elektrostatischen Entladung des menschlichen Körpers. Die Teile allgemeiner digitaler Produkte, die einen ESD-Schutz erfordern, sind: USB-Schnittstelle, HDMI-Schnittstelle, IEEE1394-Schnittstelle, Antennenschnittstelle, VGA-Schnittstelle, DVI-Schnittstelle, Tastenkreis, SIM-Karte, Kopfhörer und andere verschiedene Datenübertragungsschnittstellen.
ESD kann dazu führen, dass das Produkt nicht ordnungsgemäß funktioniert, abstürzt oder sogar beschädigt wird und andere Sicherheitsprobleme verursacht. Bevor das Produkt auf den Markt kommt, müssen daher in- oder ausländische Inspektionsabteilungen ESD und andere Überspannungen prüfen. Unter ihnen muss die Kontaktentladung ± 8 kV und die Luftentladung ± 15 kV erreichen, was hohe Anforderungen an die Auslegung von ESD stellt.
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ESD-Problemlösung und -schutz in digitalen Produkten
3.1 Strukturelles Design des Produkts
Wenn die freigesetzte statische Elektrizität als Flut betrachtet wird, ähnelt die Hauptlösung der Wasserkontrolle, die „blockiert“ und „sparsam“ ist. Wenn das von uns entworfene Produkt ein ideales Gehäuse hat, das luftdicht ist, gibt es keine statische Elektrizität, also kein statisches Problem. Das eigentliche Gehäuse hat jedoch oft Lücken im Deckel, und viele von ihnen haben dekorative Metallteile. Seien Sie also vorsichtig.
Verwenden Sie zuerst die Methode "Sperren". Versuchen Sie, die Dicke des Gehäuses zu vergrößern, das heißt, den Abstand zwischen dem Gehäuse und der Platine zu vergrößern, oder den Abstand des Luftspaltes des Gehäuses durch gleichwertige Verfahren zu vergrößern, um die Energieintensität des Gehäuses zu vermeiden oder stark zu reduzieren ESD.
Durch die Verbesserung des Aufbaus kann der Abstand des Luftspaltes zwischen dem Außengehäuse und dem internen Schaltkreis vergrößert werden, so dass die Energie der ESD stark reduziert wird. Als Faustregel gilt, dass die 8kV-ESD nach einem Abstand von 4 mm normalerweise auf null abfällt.
Zweitens kann es mit der "spärlichen" Methode mit EMI-Lack auf die Innenseite des Gehäuses gespritzt werden. EMI-Lack ist elektrisch leitfähig und kann als metallische Abschirmung betrachtet werden, die die Ableitung statischer Elektrizität auf das Gehäuse ermöglicht. Das Gehäuse wird dann mit der Masse der PCB (Printed Circuit Board) verbunden, um statische Elektrizität von der Erde abzuleiten. Zusätzlich zur Verhinderung statischer Elektrizität kann die Methode dieser Behandlung EMI-Interferenzen wirksam unterdrücken. Wenn genügend Platz vorhanden ist, können Sie den Stromkreis auch mit einer Metallabschirmung schützen, die dann mit der Masse der Platine verbunden wird.
Kurz gesagt, es gibt viele Orte, die Sie beim ESD-Design beachten müssen. Der erste Schritt besteht darin, zu verhindern, dass die elektrostatische Entladung in das Innere des Gehäuses eindringt, und die Energie, die in das Gehäuse eintritt, minimieren. Versuchen Sie, die in das Gehäuse eindringende ESD von GND wegzuführen, und beschädigen Sie nicht die anderen Teile des Schaltkreises. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie Metalldekorationen am Gehäuse verwenden, da dies zu unerwarteten Ergebnissen führen kann und besondere Aufmerksamkeit erfordert.
3.2 PCB Design des Produkts
Die PCB (Printed Circuit Board) des aktuellen Produkts ist eine Platine mit hoher Dichte, in der Regel eine 4-Layer-Platine. Mit zunehmender Dichte geht der Trend zur Verwendung einer 6-Lagen-Platine, und das Design muss immer das Gleichgewicht zwischen Leistung und Fläche berücksichtigen. Je größer der Raum ist, umso mehr Platz kann auf den Komponenten platziert werden. Je breiter die Linienbreite und der Zeilenabstand sind, desto vorteilhafter sind EMI, Audio, ESD und andere Aspekte. Auf der anderen Seite ist die Kompaktheit des digitalen Produktdesigns auch ein Trend und ein Bedürfnis. Daher müssen Sie beim Entwerfen einen Schwerpunkt finden.
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In Bezug auf das ESD-Problem gibt es viele Punkte, auf die beim Design zu achten ist, insbesondere hinsichtlich des Designs der GND-Verdrahtung und des Leitungsabstands. In einigen Produkten gibt es ein großes Problem mit ESD, und es gibt immer keinen Grund. Durch wiederholte Forschung und Experimente wird festgestellt, dass dies ein Problem beim PCB-Design ist. Zu diesem Zweck finden Sie hier eine Zusammenfassung der Punkte, die beim PCB-Design zu beachten sind:
(1) Der Abstand zwischen der Platinenrandkante (einschließlich der Durchkontaktierung) und anderen Verdrahtungen sollte größer als 0,3 mm sein.
(2) Die Platinenränder der PCB sind vorzugsweise alle von GND-Spuren umgeben.
(3) Der Abstand zwischen GND und anderen Kabeln beträgt 0,2 mm bis 0,3 mm.
(4) Der Abstand zwischen Vbat und anderen Kabeln wird zwischen 0,2 mm und 0,3 mm gehalten.
(5) Der Abstand zwischen wichtigen Leitungen wie Reset, Clock usw. und anderen Verdrahtungen sollte größer als 0,3 mm sein.
(6) Der Abstand zwischen der Hochleistungsleitung und der anderen Verdrahtung wird zwischen 0,2 mm und 0,3 mm gehalten.
(7) Zwischen den GNDs verschiedener Schichten sollte es so viele Vias (VIa) wie möglich geben.
(8) Vermeiden Sie scharfe Ecken bei der Endmontage. Scharfe Ecken sollten so glatt wie möglich sein.
3.3 Design der Produktschaltung
Bei der Gestaltung des Gehäuses und der Leiterplatte tritt ESD nach Beachtung des ESD-Problems unweigerlich in den internen Schaltkreis des Produkts ein, insbesondere die folgenden Anschlüsse: USB-Schnittstelle, HDMI-Schnittstelle, IEEE1394-Schnittstelle, Antennenschnittstelle, VGA-Schnittstelle, DVI-Schnittstelle B. Schaltkreis, SIM-Karte, Ohrhörer und andere Arten von Datenübertragungsschnittstellen. Diese Anschlüsse führen wahrscheinlich statische Elektrizität vom menschlichen Körper in den internen Schaltkreis ein. Daher müssen in diesen Ports ESD-Schutzgeräte verwendet werden.
Die elektrostatischen Schutzeinrichtungen, die in der Vergangenheit verwendet wurden, sind Varistoren und TVS-Geräte, aber die gemeinsamen Nachteile dieser Geräte sind, dass die Ansprechgeschwindigkeit zu niedrig ist, die Entladungsspannung nicht genau genug ist, die Kapazität zwischen den Elektroden groß ist und die Lebensdauer kurz ist Die elektrische Leistung verschlechtert sich durch mehrfache Verwendung. . Daher wird in der Industrie üblicherweise der "statische Unterdrücker" verwendet, um die herkömmliche statische Schutzvorrichtung zu ersetzen.
"Static Suppressor" ist eine professionelle Lösung für das Problem statischer Elektrizität. Seine interne Struktur und Arbeitsweise sind wissenschaftlicher und professioneller als andere Produkte. Es besteht aus Polymerpolymermaterial und die inneren Diamantmoleküle sind in einer regelmäßigen diskreten Form angeordnet. Wenn die elektrostatische Spannung die Auslösespannung der Vorrichtung überschreitet, erzeugen die internen Moleküle schnell eine Spitze-zu-Spitze-Entladung, die die statische Elektrizität innerhalb kürzester Zeit auf den Boden entlädt. Sein größtes Merkmal ist die schnelle Reaktion (0,5 ns ~ 1 ns), die sehr geringe Kapazität zwischen den Elektroden (0,05pf ~ 3pf) und der sehr kleine Leckstrom (1 µA). Sie eignet sich sehr gut für den Schutz verschiedener Schnittstellen.
Da der statische Entstörer viele Vorteile hat, wie z. B. kleines Volumen (0603, 0402), Unpolarität, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit usw., erhöht sich der Anteil der Verwendung statischer Entstörer als Schutzvorrichtungen in der aktuellen Konstruktion. Beachten Sie daher die folgenden Hinweise Punkte bei der Verwendung von:
1. Platzieren Sie das Gerät so nahe wie möglich am zu schützenden Port.
2. Die Verbindung zu GND ist so kurz wie möglich;
3. Die Fläche des angeschlossenen GND ist so groß wie möglich.
Das Problem mit BNE ist eines von vielen wichtigen Themen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Beschädigung der Schaltung in verschiedenen elektronischen Geräten zu vermeiden. Aufgrund der geringen Größe und der hohen Dichte digitaler Produkte gibt es einzigartige Merkmale beim Schutz von ESD. Durch zahlreiche statische Testexperimente wurde nachgewiesen, dass die Entwurfsmethode dieses Dokuments ein Produkt schützen und verbessern kann, das nach einer ± 2 kV-Entladung tot gewesen wäre, und es kann unter den Bedingungen einer elektrostatischen Entladung von ± 8 kV noch stabil arbeiten. das spielt eine sehr gute statische Elektrizität. Schutzwirkung.
Mit dem zunehmenden Einsatz elektronischer Geräte ist das ESD-Design ein zentrales Anliegen für jeden Konstrukteur und elektronischen Konstrukteur. Durch ständiges Zusammenfassen und Lernen werden ESD-Probleme kein Problem mehr!