¿En qué medida es realmente necesaria la protección contra ESD?

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No estoy preguntando acerca de la fabricación. Estoy preguntando sobre el diseño de la electrónica para sobrevivir el uso normal en el campo. Quiero descubrir qué tan necesario es incluir diodos TVS en mi diseño.

Como mencioné en mi pregunta anterior, rara vez alguien se molestó en los 80 y 90 para incluir alguna protección contra ESD en las líneas de E / S. Estos dispositivos parecen sobrevivir OK.

Me imagino que dependerá de a qué tipo de circuitos integrados están conectadas las líneas de E / S. En los años 80 y 90, generalmente eran VLSI de NMOS, VLSI de CMOS temprano, compuertas de CMOS y TTL.

¿Las MCU modernas de 5 V son más vulnerables que las puertas de 74HC, lo que justifica la inclusión de diodos TVS en los pines de E / S?

¿El tipo de conector determina el grado de protección ESD requerida? Puedo ver que un conector D-sub hembra es razonablemente seguro sin protección contra ESD, a menos que el cable esté cargado.

Si necesito diodos de TVS, ¿también necesito resistencias en serie? Miré la hoja de datos para un televisor de 5V adecuado, que especifica una caída de voltaje máxima de 24V cuando se desvía un pico de ESD de 20 amperios. Si conecto el TVS directamente al pin de E / S, el diodo ESD en el interior del IC realizará la conducción. 24V es mucho mayor que la caída de diodo ESD de 0.3V.

Podría colocar una resistencia de serie de 33 ohmios entre el TVS y el pin de E / S. Esto limita la corriente a menos de un amplificador a través del diodo ESD interno que probablemente pueda soportar. Pero ¿es realmente necesario? Tengo muchos pines de E / S y prefiero evitar la resistencia. ¿Puedo confiar en que el diodo ESD tenga una resistencia dinámica lo suficientemente alta como para que el TVS tome la mayor parte de la descarga?

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

    
pregunta Foxie

5 respuestas

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Conté al menos cinco preguntas en tu pregunta. Intentaré responder solo a unos pocos.

Para comenzar, hay varios niveles de eventos ESD que pueden ser especificados por el OEM del equipo, para diferentes entornos y otras condiciones operativas, todos clasificados en la norma IEC 61000-4-2.

Entonces, sí, el diseño del conector juega un papel importante en la tasa de fallas de los equipos electrónicos. Si un conector tiene un blindaje correctamente enrutado y las clavijas de señal están incrustadas en el interior, hay muchas menos posibilidades de que las señales estén expuestas a un evento directo de ESD, por lo que podrían requerir menos nivel de protección contra ESD.

En segundo lugar, los diodos TVS ayudan incluso si tienen un voltaje de saturación de 20-25 V. Esto es aún bastante menor que la descarga de 4 kV de un evento normal del cuerpo humano, por lo que es bastante más fácil de manejar mediante la protección interna.

Y sí, en los años 80 el tamaño de la característica de los elementos de silicio de los transistores era de 2000 nm, hoy en día es mucho más pequeño, 1/100 de eso, lo que los hace mucho más vulnerables a la misma energía ESD. Y no, no hay una MCU "5V" moderna, las MCU modernas son MCU "1V". Las "MCU tolerantes a 5-V son la explosión del pasado. Puede haber una MCU tolerante a" 5V ", pero su funcionalidad no está a la altura de las demandas modernas de IoT, o debe pagar una prima por ellas.

El resto de las preguntas son detalles insignificantes.

En resumen, es probable que desee que su producto sobreviva en un entorno industrial o de consumo y no quiera lidiar con el reemplazo del producto y el costo asociado y el riesgo de salir del negocio. Usted necesita decidir, ¿es su negocio necesario para usted? Si es así, no hace preguntas y utiliza mejor toda la sabiduría de ingeniería acumulada para proteger su diseño de ESD.

    
respondido por el Ale..chenski
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La robustez es una elección de diseño que haces.

¿Se compara un PIC / 74HC pequeño con el SOC en una pi de frambuesa o

PIC u otra lógica pequeña de 5V micro o 74HC:  - pequeño número de clavijas - mucho espacio para pistas anchas de metal  - Pines de alta corriente de 50 mA capaces = gran área fet  - verdadero circuito de protección CMOS - descarga estática a la fuente de alimentación con solo caída de diodo  - almohadillas grandes + transistores grandes = diodos de protección grandes = corriente de falla grande  - El proceso básico de CMOS utilizado será 3.3 o 5V.

SOC / super-micro / fpga  - Almohadillas de adhesión en zigzag con pasadores bazillion, metalización fina para enhebrar entre ellas.  - Pequeños fets, baja capacidad de corriente. Debe ser así ya que tiene tantos alfileres.  - Entrada tolerante a V: protegida por una disposición Zener: la estática se disipa en el propio diodo de protección, no se descarga a los rieles de alimentación  - Pequeñas almohadillas de enlace y fets = estructura de protección diminuta = diminuta energía de falla.  - Proceso básico de baja tensión 1.5V -2.5V

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Así que en resumen:

Piezas de alta tecnología: disipación 7x en 1/10 del área de la almohadilla / transistor / metalización, en un proceso de cmos 2x más sensibilidad al voltaje = 140x menos robusta. [La guerra de llamas comienza en el aparcamiento cuando la barra se cierra]

Sí, hay una gran diferencia en la necesidad de protección. Pero hay grandes diferencias en la robustez, y deben ser elecciones deliberadas.

    
respondido por el Henry Crun
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Puede evitar la repetición de muchos diodos TVS para cada línea de E / S utilizando diodos de menor costo como BAT54S para conectar a la línea de señal. El código del diodo superior se conecta a un TVS común que puede ser compartido por varias E / S. La conexión común de ánodo / cátodo va a la línea de señal. Finalmente, el ánodo del diodo inferior va a GND.

    
respondido por el Michael Karas
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¿Realmente necesita una impedancia de salida de 33 ohmios en su E / S? Porque si no lo hace, solo puede poner 10k y evitar el bloqueo de las corrientes mientras deja que los diodos ESD internos funcionen.

    
respondido por el lucky bot
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  • Faraday descubrió que la resistencia de un arco de ionización era inversa a la densidad de corriente. Leí esto en el libro de Maxwell A Treatise on Electricity and Magnetism an eBooK.pdf

La protección contra ESD no es trivial. Así que aprenda todo lo que pueda y siga las mejores prácticas.

Por lo tanto, la impedancia del Modelo de cuerpo humano (HMB) 100pF y el Modelo de carro de 300pF tienen impedancias significativamente diferentes en un evento de descarga, no solo por C, sino por la densidad de corriente de interfaz no declarada, en realidad varía dependiendo de la E Campo en el punto de contacto. Una superficie lisa tiene un aislamiento dieléctrico aproximadamente 3 veces mayor que la ruptura que un punto afilado y, por lo tanto, como la brecha puede ser más pequeña, la corriente tiene menos efecto de propagación y es una corriente más alta, una mayor densidad y un tiempo de aumento mucho más rápido y, por lo tanto, un ancho de banda mucho mayor. (RC = T = 0.35 / f). Las descargas en dieléctricos en transformadores grandes llenos de aceite pueden exceder de > > 10 GHz y también incluyen el espectro óptico.

Las corrientes ESD son variables, pero la energía de la fuente del modelo de prueba se fija según lo definido por C y V, pero el nivel de potencia depende de cuán corta sea la duración del pulso.

También sabemos que la capacitancia del diodo es inversa con la capacidad de potencia y la ESR del diodo. Debido a las diferencias de construcción, sabemos que los televisores tienen la mejor (figura de mérito (FOM) para las calidades de tipo Zener y diodos Schottky diminutos con dos etapas para ESR * C = T) sigue siendo la mejor solución para las compensaciones de protección interna de CMOS entre la velocidad máxima y máxima protección. Después de que todos los diodos deben responder más rápido que el enganche del CMOS para protegerlos, pero el tamaño limita estos diodos de 5 a 10 mA. Corriente de CC máxima desde una disipación de energía de CC Máximo absoluto.

Entonces, ¿cómo es posible que dos etapas sean mejores y para una mayor protección agregar TVS puede mejorar esto?

La intuición y las funciones de transferencia simples nos dicen que la gran relación de impedancia de serie / derivación de cualquier voltaje aplicado puede ser una atenuación mayor que tener una baja impedancia de serie.

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Consejos

Si desea mejorar la protección significativamente con una serie R o una perla de ferrita, siempre y cuando no disminuya el ancho de banda deseado de L / R o 1 / RC = 0.35 / f. Una pequeña cuenta es como una derivación de 100pF, pero aumenta el tiempo de subida para permitir que los diodos de derivación respondan más rápido que la subida de entrada.

No tengo tiempo suficiente para dedicarme a la investigación reciente y resumirla en una página, pero hay una investigación en curso a medida que la litografía CMOS continúa reduciéndose.

  

• se ha desarrollado una nueva estructura de cadena de diodo para la protección contra ESD de 65 nm.   • Posee un voltaje de sujeción un 30% más bajo, un voltaje de sobreimpulso un 15% más bajo bajo un impulso ESD muy rápido     REF

    
respondido por el Tony EE rocketscientist

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