حماية ESD للتصاميم اللاسلكية
التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) هو الإطلاق المفاجئ غير المنضبط للطاقة الكهربائية الساكنة. يمكن أن يؤدي هذا التفريغ للطاقة الكهربائية إلى إتلاف الدوائر المتكاملة الحساسة ، ويجب أن يكون مصممو الأنظمة اللاسلكية على دراية بالتفريغ الكهروستاتيكي.
يعمل مصنعو الأنظمة اللاسلكية على تطوير مواصفات أكثر صرامة لوحدات ESD ، مما يجعل مهمة مصممي لوحات الدوائر أكثر صعوبة. توجد مجموعة متنوعة من معايير البيئة والتنمية المستدامة المختلفة ، مما يعقد جهود التصميم. نضع في اعتبارنا المعيارين الدوليين الأكثر شيوعًا: نموذج جسم الإنسان HBM (نموذج جسم الإنسان) و IEC 1000-4-2. المعيار الأول يحاكي ظروف الاتصال ويتم تطبيقه على الجهاز ؛ يستخدم المعيار الثاني لحماية البيئة والتنمية المستدامة على مستوى النظام.
تواجه حماية البيئة والتنمية المستدامة للتصاميم اللاسلكية تحديات خاصة. هناك تقنيات مختلفة لحماية البيئة والتنمية المستدامة ، ولكل منها مزاياها وعيوبها. ومع ذلك ، بالنسبة للتصميمات اللاسلكية ، والأداء ، ومساحة الدائرة ، والوزن ، واستهلاك الطاقة والتكلفة جميعها تفضل استخدام شبكات حماية الصمام الثنائي المتكاملة.
علاوة على ذلك ، سنناقش كيفية تطبيق شبكة الصمام الثنائي للحصول على أفضل أداء لحماية البيئة والتنمية المستدامة. يرتبط الأداء الأمثل ارتباطًا وثيقًا بتخطيط لوحة الدائرة لضمان إمكانية دخول تيارات ESD إلى جهاز الحماية دون الإضرار بالدوائر المتكاملة الحساسة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن ينتبه استخدام شبكة حماية الصمام الثنائي إلى مشكلة خفض الطاقة في النظام. أخيرًا ، لا توجد طريقة سهلة لربط أداء الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) لجهاز بأداء حماية النظام ، ولكن تحديد جهد التثبيت لحماية الجهاز هو وسيلة فعالة لتوصيل الاثنين.
عادةً ما يستخدم اختبار HBMESD القياسي ESD للدوائر المتكاملة ، بينما يحدد IEC1000 اختبار ESD للنظام. كلاهما يستخدم نموذج التفريغ ESD للمكثفات التي تمر عبر مقاومات الحد من التيار (الشكل 1). الفرق هو حجم قيمة الجهاز. بالنسبة لـ HBM ، تكون قيمة المكثف 100pF والمقاوم المحدد الحالي هو 1500Ω. لاحظ أن ذروة تيار التفريغ لـ IEC1000 أعلى بخمس مرات تقريبًا من تيار HBM لنفس جهد التفريغ الإلكتروستاتيكي. علاوة على ذلك ، يستخدم IEC1000 طرق التفريغ وتفريغ الهواء لاختبار المعدات. يعرّف المعيار جهد ESD لتفريغ التلامس على أنه 2kV إلى 8kV ، ويمكن أن يصل التلامس الجوي إلى 15kV. لاحظ أن وقت الصعود الحالي المحدد بواسطة IEC1000 أقل من 1 نانوثانية ، مما يتطلب استجابة سريعة جدًا من جهاز الحماية (الشكل 2). للسبب نفسه ، يعد تخطيط اللوحة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق حماية البيئة والتنمية المستدامة للنظام.
طرق الحماية في حالة تلبية متطلبات الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) الخاصة بـ IEC 1000-4-2 ، فإن معدات الاتصال اللاسلكي تحتاج إلى حماية مناسبة. المناطق التي يلمسها المستخدم ، مثل الأزرار ومنافذ الإدخال / الإخراج ، عرضة للتخلص من التفريغ الكهروستاتيكي وبالتالي تتطلب الحماية. تتمثل إحدى التقنيات البسيطة في وضع المكثفات على خطوط الاتصال لامتصاص نبضات ESD ، مما يقلل من معدل الإشارة ويزيد من استهلاك تيار المحرك. يمكن استخدام فجوة شرارة على السبورة. تم تصميم فجوة الشرارة لتندمج أثناء نبضة التفريغ الكهروستاتيكي ، ويتم تحويل التيار إلى الأرض. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية تشغل مساحة كبيرة وتتسبب في حماية غير موثوق بها من التفريغ الكهروستاتيكي بعد الشيخوخة. يمكن إيقاف تشغيل أجهزة MOV (metaloxidevaristor) عند الفولتية العالية ويمكن استخدامها في التطبيقات ذات أوقات الاستجابة البطيئة. ومع ذلك ، فإن ضخامتها وسعتها الكبيرة تجعلها غير مناسبة لحماية خطوط الإشارة ، والعيب الإضافي هو خصائصها القديمة.
بالنسبة لثنائيات زينر ، على الرغم من قدرتها على تثبيت التيارات الكبيرة عند جهد معين ، إلا أنها تنتج سعات طفيلية غير ضرورية لحماية خطوط الإشارة. في المقابل ، تعتبر الثنائيات السريعة منخفضة السعة المتصلة بالأرض والطاقة حلاً جيدًا. يمكنهم التعامل مع التيارات الذروة الكبيرة ، ولديهم تيارات تسرب عكسية صغيرة ، ويمكنهم تحمل ضربات ESD المتعددة دون ضرر ؛ ينجح في تحويل نبضات التفريغ الكهروستاتيكي بعيدًا عن أجهزة الحماية الحساسة وله عمر طويل. ومع ذلك ، يلزم وجود زوج واحد من الصمام الثنائي لكل خط حماية. على الرغم من السعر المنخفض لكل جهاز ، فإن التكلفة الإجمالية للتركيب والمساحة المطلوبة تجعل حل الانقسام غير مناسب.
على سبيل المثال ، يلزم 17 زوجًا من الصمامات الثنائية لحماية المنفذ المتوازي IEEE -1284. ينتج عن دمج أعداد مختلفة من أزواج الصمام الثنائي في حزمة واحدة حل فعال من حيث التكلفة.
مبدأ الحماية من التفريغ الإلكتروستاتيكي (ESD) الخاص بمصفوفة الصمام الثنائي لشبكة حماية الصمام الثنائي المتكامل بسيط للغاية. زوج الصمام الثنائي المتصل بمصدر الطاقة والأرضي يضاف إلى خط الإشارة المحمي. أثناء التشغيل العادي ، تكون هذه الثنائيات منحازة عكسيًا ، ولكن يحدث التحيز للأمام عندما يكون الجهد على خط الإشارة أعلى أو أقل ، على التوالي ، من الجهد عند الطرف المقابل. يحدث التحيز الأمامي أثناء نبضة ESD ، عندما يسحب الصمام الثنائي التيار إلى مصدر الطاقة أو الأرض ، تاركًا الجهاز المحمي ، الذي يتعرض فقط لجهد صغير وصدمة تيار.
نظرًا لأن دبابيس إدخال / إخراج الدوائر المتكاملة مصممة لتحمل 2 كيلو فولت من الفولتية HBMESD ، يمكن للجهاز المحمي أن يتحمل هذه الطاقة ، ولكن هذا يضع متطلبات أكثر صرامة على شبكة الصمام الثنائي الخارجية. وفقًا لطريقة IEC 1000-4-2 ، تحتاج هذه الشبكات إلى مقاومة "تفريغ التلامس" البالغ 8 كيلو فولت. علاوة على ذلك ، يحتاج أيضًا إلى تثبيت الجهد خلفه حتى لا تتضرر الدوائر المتكاملة أو الأجهزة السلبية الأخرى. أخيرًا ، من أجل عدم تدهور أداء الإشارة ، يجب أن تكون السعة الإجمالية لزوج الصمام الثنائي أقل من 5pF.
نظرًا لأن التطبيقات اللاسلكية تتطلب عادةً حزمًا صغيرة الحجم ، يجب تعبئة أجهزة الحماية في حزم SOT و MSOP و QSOP ، والتي تعد أكثر تنافسية من الحلول المنفصلة (الشكل 3).
يجب أن ينتبه تحسين الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) إلى تصميم لوحة الدائرة الكهربائية وتركيبها. أولاً ، قلل من الحث الطفيلي بين نقطة دخول نبض ESD وشبكة حماية الصمام الثنائي (الشكل 4). سوف يقاوم الحث الطفيلي التغيرات السريعة في تيار نبض ESD ، مما يسمح لتيار ESD بالدخول إلى شبكة الصمام الثنائي بالتدفق إلى الجهاز المحمي. في هذا الصدد ، يجب على المصمم وضع شبكة الصمام الثنائي بين المحث والجهاز المحمي ، مما يحسن أداء حماية ESD بطريقتين: يقاوم المحرِّض التغيرات السريعة في التيار وينتشر بمرور الوقت ، مما يقلل تيار الذروة ؛ ESD يتم إجبار النبضات على المرور عبر شبكة الصمام الثنائي أولاً ، ويدخل جزء صغير فقط من النبضات إلى الأجهزة اللاحقة.
فيما يلي لوحة المفاتيح اللاسلكية esd ، والماوس اللاسلكي esd ، وحزام المعصم اللاسلكي esd:
