Protección estática problemas comunes y soluciones.

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La escala de los dispositivos semiconductores modernos se está haciendo cada vez más grande, y la tensión de trabajo se está volviendo cada vez más baja, lo que lleva a la sensibilidad de los dispositivos semiconductores a las perturbaciones electromagnéticas externas. ESD ha atraído cada vez más atención a la interferencia causada por los circuitos, daños a los componentes, circuitos CMOS y circuitos de interfaz. La ESD de los equipos electrónicos también ha comenzado a escribirse en estándares nacionales e internacionales como una parte importante de las pruebas de compatibilidad electromagnética.

Causas electrostáticas y su daño.

Cuando la electricidad estática es frotada por dos sustancias que tienen diferentes constantes dieléctricas, las cargas polares positivas y negativas se acumulan en dos cuerpos específicos. Cuando dos objetos están en contacto, uno de ellos tiende a atraer electrones y, por lo tanto, ambos forman potenciales de carga diferentes. En el caso del cuerpo humano, la electricidad estática generada por la fricción entre la ropa y la piel es una de las principales causas de carga del cuerpo humano.

Cuando la fuente de energía estática está en contacto con otros objetos, hay un flujo de carga de acuerdo con el mecanismo de neutralización de la carga, que transfiere suficiente energía para compensar el voltaje. Durante la transmisión de potencia a alta velocidad, se generan voltajes potenciales, corrientes y campos electromagnéticos. En casos severos, los objetos son destruidos. Esta es la descarga electrostática. Se define en la norma nacional: La descarga electrostática es una transferencia de carga causada por la proximidad o el contacto directo de potenciales electrostáticos especiales (GB / T4365-1995), generalmente expresados ​​por ESD. La ESD puede causar daños graves o un mal funcionamiento de los equipos electrónicos.

El daño electrostático al dispositivo es dominante y recesivo. El daño oculto no era visible en ese momento, pero el dispositivo se volvió más frágil y se dañó fácilmente en condiciones de sobrepresión y alta temperatura.

Los dos mecanismos principales de falla de ESD son: el calor generado por la corriente ESD causa la falla térmica del dispositivo; El voltaje excesivo inducido por la ESD causa la ruptura del aislamiento. Ambos tipos de daño pueden ocurrir simultáneamente en un dispositivo, por ejemplo, la ruptura del aislamiento puede provocar grandes corrientes, lo que a su vez conduce a una falla térmica.

Además del daño causado por el circuito, la descarga electrostática también es muy fácil de causar interferencia al circuito electrónico. Hay dos formas en que la descarga electrostática puede interferir con los circuitos electrónicos. Una es la interferencia conducida y la otra la interferencia radiada.

La construcción de productos digitales y sus problemas de EDS.

Hoy en día, las funciones de varios productos digitales son cada vez más fuertes, mientras que los tableros se hacen cada vez más pequeños, y la integración es cada vez mayor. Más o menos parte de la interfaz se utiliza para la interacción persona-computadora, por lo que hay un problema de ESD de la descarga electrostática del cuerpo humano. Las partes de los productos digitales generales que requieren protección ESD son: interfaz USB, interfaz HDMI, interfaz IEEE1394, interfaz de antena, interfaz VGA, interfaz DVI, circuito de botones, tarjeta SIM, auriculares y otras diversas interfaces de transmisión de datos.

La ESD puede hacer que el producto funcione de manera anormal, se bloquee o incluso dañe y cause otros problemas de seguridad. Por lo tanto, antes de que el producto salga al mercado, se requiere que los departamentos de inspección nacionales o extranjeros prueben la ESD y otras sobretensiones. Entre ellos, la descarga de contacto debe alcanzar ± 8kV, y la descarga de aire debe alcanzar ± 15kV, lo que impone altos requisitos en el diseño de ESD.

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Resolución de problemas ESD y protección en productos digitales.
3.1 Diseño estructural del producto.

Si la electricidad estática liberada se considera una inundación, la solución principal es similar al control del agua, que es el "bloqueo" y la "preservación". Si el producto que diseñamos tiene una carcasa ideal que es hermética, no hay electricidad estática, por lo que no hay problema estático. Sin embargo, la cubierta real a menudo tiene huecos en la cubierta, y muchos de ellos tienen piezas decorativas de metal, así que asegúrese de prestar atención.

Primero, use el método de "bloqueo". Intente aumentar el grosor de la carcasa, es decir, aumente la distancia entre la carcasa y la placa, o aumente la distancia del espacio de aire de la carcasa mediante algunos métodos equivalentes, para evitar o reducir en gran medida la intensidad de energía de la carcasa. ESD.

A través de la mejora de la estructura, se puede aumentar la distancia del espacio de aire entre la carcasa exterior y el circuito interno, de modo que la energía de la ESD se reduce considerablemente. Como regla general, la ESD de 8 kV generalmente decae a cero después de una distancia de 4 mm.

En segundo lugar, utilizando el método "disperso", se puede rociar en el interior de la carcasa con pintura EMI. La pintura EMI es eléctricamente conductora y puede considerarse como un escudo metálico que permite que la electricidad estática se conduzca en la carcasa. Luego, la carcasa se conecta a la tierra de la PCB (placa de circuito impreso) para conducir la electricidad estática lejos de la tierra. Además de prevenir la electricidad estática, el método de este tratamiento puede suprimir efectivamente la interferencia de EMI. Si hay espacio suficiente, también puede proteger el circuito con un escudo de metal, que luego se conecta a la GND de la PCB.

En resumen, hay muchos lugares a tener en cuenta en la vivienda de diseño ESD. El primer paso es evitar que la ESD entre al interior de la carcasa y minimizar la energía que ingresa a la carcasa. Para que el ESD ingrese al interior de la caja, intente alejarlo de la GND y no permita que dañe otras partes del circuito. Tenga cuidado al utilizar decoraciones metálicas en la carcasa, ya que es probable que produzca resultados inesperados y requiera atención especial.

3.2 Diseño de PCB del producto.

La PCB (placa de circuito impreso) del producto actual es una placa de alta densidad, generalmente una placa de 4 capas. A medida que aumenta la densidad, la tendencia es utilizar un tablero de 6 capas, y su diseño siempre debe considerar el equilibrio de rendimiento y área. Por un lado, cuanto mayor sea el espacio, más espacio se puede colocar en los componentes. Al mismo tiempo, cuanto mayor sea el ancho de línea y el interlineado, los beneficios para EMI, audio, ESD y otros aspectos. Por otro lado, la compacidad del diseño del producto digital también es una tendencia y una necesidad. Por lo tanto, necesitas encontrar un punto de equilibrio al diseñar.

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En lo que respecta al problema de la EDS, hay muchos lugares a los que hay que prestar atención en el diseño, especialmente en relación con el diseño del cableado GND y el espaciado de línea. En algunos productos, hay un gran problema con la EDS y no siempre hay razón. A través de la investigación y experimentación repetidas, se encuentra que es un problema en el diseño de PCB. Para este fin, aquí hay un resumen de los puntos que deben tenerse en cuenta en el diseño de PCB:

(1) La distancia entre el borde de la placa PCB (incluido el orificio de vía Vía delimitador) y otros cableados debe ser superior a 0,3 mm;
(2) Los bordes de la placa de la PCB están preferiblemente rodeados por trazas de GND;
(3) La distancia entre GND y otros cables se mantiene a 0.2mm ~ 0.3mm;
(4) La distancia entre Vbat y otros cables se mantiene entre 0.2 mm y 0.3 mm;
(5) La distancia entre las líneas importantes como Restablecer, Reloj, etc. y otros cableados debe ser superior a 0,3 mm;
(6) La distancia entre la línea de alta potencia y el otro cableado se mantiene entre 0,2 mm y 0,3 mm;
(7) Debería haber tantas vías (VIa) como sea posible entre las GND de diferentes capas;
(8) Evite las esquinas filosas en el pavimento final. Las esquinas afiladas deben ser lo más suaves posible.

3.3 Diseño del circuito del producto

En el diseño de la carcasa y la PCB, después de prestar atención al problema de ESD, ESD entrará inevitablemente en el circuito interno del producto, especialmente en los siguientes puertos: interfaz USB, interfaz HDMI, interfaz IEEE1394, interfaz de antena, interfaz VGA, interfaz DVI Circuito de botones, tarjeta SIM, auriculares y otros tipos de interfaces de transmisión de datos. Es probable que estos puertos introduzcan electricidad estática del cuerpo humano en el circuito interno. Por lo tanto, los dispositivos de protección ESD deben utilizarse en estos puertos.

Los dispositivos de protección electrostática utilizados en el pasado son dispositivos de varistor y TVS, pero las desventajas comunes de estos dispositivos son que la velocidad de respuesta es demasiado lenta, la tensión de descarga no es lo suficientemente precisa, la capacitancia interelectrodo es grande, la vida útil es corta y El rendimiento eléctrico se deteriora debido a múltiples usos. . Por lo tanto, el "supresor de estática" actual se usa comúnmente en la industria para reemplazar el dispositivo de protección estática convencional.

El "supresor de estática" es una solución profesional al problema de la electricidad estática. Su estructura interna y su principio de funcionamiento son más científicos y profesionales que otros productos. Está hecho de material polímero polimérico, y las moléculas internas de diamante están dispuestas en una forma discreta regular. Cuando la tensión electrostática supera la tensión de activación del dispositivo, las moléculas internas generan rápidamente una descarga de punta a punta, que descarga la electricidad estática al suelo en un instante. Su característica principal es la respuesta rápida (0.5 ns ~ 1 ns), muy baja capacitancia interelectrodo (0.05pf ~ 3pf), corriente de fuga muy pequeña (1μA), muy adecuada para la protección de varias interfaces.

Debido a que el supresor de estática tiene muchas ventajas, como volumen pequeño (0603, 0402), falta de polaridad, velocidad de reacción rápida, etc., la proporción de uso de supresores de estática como dispositivos de protección en el diseño actual está aumentando, así que preste atención a lo siguiente puntos al usar:
1. Coloque el dispositivo lo más cerca posible del puerto a proteger.
2. La conexión a GND es lo más corta posible;
3. El área de la GND conectada es lo más grande posible.

El problema con la EDS es uno de los muchos problemas importantes. Existen diferentes formas de evitar daños al circuito en diferentes dispositivos electrónicos. Debido al pequeño tamaño y la alta densidad de los productos digitales, existen características únicas en la protección de ESD. A través de una gran cantidad de experimentos de prueba estática, se demuestra que el método de diseño de este documento puede proteger y mejorar un producto que podría haber muerto después de una descarga de ± 2 kV, y aún puede funcionar de manera estable bajo la condición de una descarga electrostática de ± 8 kV. Que reproduce una muy buena electricidad estática. Efecto protector.

Con el uso creciente de dispositivos electrónicos, el diseño de ESD es una preocupación clave para cada ingeniero de diseño estructural e ingeniero de diseño electrónico. ¡Al resumir y aprender continuamente, los problemas de ESD ya no serán un problema!