Электростатическая защита

Заряд статического электричества возникает на поверхности материалов (особенно диэлектриков) в результате контакта этих материалов посредством трения, отделения или соединения поверхностей, деформаций, разрыва и т. п.

Основной причиной возникновения заряда на поверхности материалов при указанном контакте их является образование так называемого двойного слоя, т. е. образование положительных и отрицательных зарядов, расположенных друг против друга, на соприкасающихся поверхностях в виде противоположно заряженных слоев. Одновременно с накоплением (генерацией) статического электричества всегда происходит и его рассеяние (потери).

Основными факторами, определяющими количественную сторону процесса накопления статического электричества, являются:

площадь и расстояния между контактирующими (трущимися) поверхностями;

природа взаимодействующих материалов;

шероховатость поверхностей, коэффициент трения, скорость взаимного перемещения, давление;

воздействие внешних факторов (температуры, влажности, наличия внешнего электрического поля и т. п.).

Рассеяние (потери) статического электричества происходит вследствие поглощения (утечки) зарядов окружающей средой, обусловленного проводимостью материала (объемной и поверхностной), излучением в окружающую среду, электронной эмиссией, десорбцией ионов, газовым разрядом и т. п.

Защита от статического электричества

Рассмотрим основные методы защиты от статического электричества.

Отвод (рассеяние) зарядов в окружающую среду

Этот метод может быть реализован путем заземления источника генерации зарядов. Отвод зарядов статического электричества может также производиться через обрабатываемые вещества путем обеспечения необходимой поверхностной или объемной проводимости этих веществ.

Увеличение поверхностной проводимости может быть получено образованием или нанесением проводящей пленки (водяной, антистатической и т. п.).

Объемная проводимость твердых тел и жидкостей может быть увеличена путем добавления в них специальных (антистатических) добавок (присадок).

Снижение генерации статического электричества

Снижение электризации жидких диэлектриков может быть достигнуто путем ограничения скорости их перемещения, так как величина тока электризации жидких диэлектриков практически пропорциональна квадрату скорости их перемещения.

Электризация жидких материалов при перекачке зависит от конструктивных факторов (шероховатость внутренних поверхностей труб, радиусов их изгибов, конструкций затворов, фильтров и т. п.), которые могут быть использованы как средство сокращения электризации жидкостей. Использование специальных релаксационных (разряжающих) емкостей при наливе и заправке топлива также уменьшает их электростатический заряд.

Сокращение (или исключение) локальных перенапряжений на элементах конструкций, обусловленных, наличием электростатического поля. Выступающие (и проводящие) части делают структуру электростатического поля весьма неоднородной и являются своего рода «концентраторами» поля. Напряженность поля в непосредственной близости от таких концентраторов может увеличиваться в десятки и сотни раз.

Выравнивание структуры электростатического поля путем исключения или перемещения концентраторов может быть использовано как средство снижения вероятности искрообразования во взрывоопасных помещениях.

Нейтрализация зарядов статического электричества

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электростатическая защита

Электростатическая защита — помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля.

Это явление связано с тем, что на поверхности проводника (заряженного или незаряженного), помещённого во внешнее электрическое поле, заряды перераспределяются так (явление электростатической индукции), что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее.

Полезное

Смотреть что такое «Электростатическая защита» в других словарях:

электростатическая защита — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN electrostatic protection … Справочник технического переводчика

электростатическая защита — elektrostatinė apsauga statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electrostatic protection vok. elektrostatischer Schutz, m rus. электростатическая защита, f pranc. protection électrostatique, f … Fizikos terminų žodynas

электростатическая радиационная защита экипажа космического аппарата в космическом полете — электростатическая защита Активная радиационная защита экипажа космического аппарата в космическом полете, создающая электрическое поле в вакуумном промежутке между высоковольтными электродами. [ГОСТ 25645.201 83] Тематики безопасность… … Справочник технического переводчика

Электростатическая радиационная защита экипажа космического аппарата — 34. Электростатическая радиационная защита экипажа космического аппарата в космическом полете Электростатическая защита Активная радиационная защита экипажа космического аппарата в космическом полете, создающая электрическое поле в вакуумном… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Электростатическая индукция — Эксперимент с электроскопом показывающий возникновение индуцированного заряда … Википедия

Электростатическая искробезопасность (лакокрасочного материала) — – состояние лакокрасочного материала, при котором исключена возможность возникновения пожара или взрыва от разрядов статического электричества. [ГОСТ Р 52362 2005] Рубрика термина: Прочие, краски Рубрики энциклопедии: Абразивное… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Электростатическая искроопасность производства — (лакокрасочного материала) – возможность возникновения опасных искровых разрядов статического электричества при перемешивании и перемещении по трубопроводам сырья для производства лакокрасочного материала и самого лакокрасочного материала.… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ГОСТ 25645.201-83: Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Термины и определения — Терминология ГОСТ 25645.201 83: Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Термины и определения оригинал документа: 33. Активная радиационная защита экипажа космического аппарата в космическом полете Активная… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

1: — Терминология 1: : dw Номер дня недели. «1» соответствует понедельнику Определения термина из разных документов: dw DUT Разность между московским и всемирным координированным временем, выраженная целым количеством часов Определения термина из… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Индуцированный заряд — Эксперимент с электроскопом показывающий возникновение индуцированного заряда. Генератор высокого напряжения на базе эффекта электростатической индукции. Электростатическая индукция явление наведения собственного электростатического поля, при… … Википедия

Источник

Что такое электростатическая защита

Скорость движение молекул в воды может достигать 650 метров в одну секунду. Конечно, когда она доходит до кипения.

Наши спонсоры

Электростатическая защита – явление, согласно которому, можно экранировать электрическое поле «спрятавшись» от него внутри замкнутой оболочки из проводящего электричество материала (например, металла).

Явление было открыто Майклом Фарадеем в 1836 году. Он обратил внимание, что внешнее электрическое поле не может попасть внутрь заземлённой металлической клетки. Принцип работы клетки Фарадея заключается в том, что под действием внешнего электрического поля, свободные электроны, находящиеся в металле, начинают движение и создают на поверхности клетки заряд, который полностью компенсирует это внешнее поле.

Электростатическая защита нужна там, где необходимо экранировать электроприборы от внешних электрических полей (например, в автомобильных магнитолах, блоках питания, лабораторном оборудовании). Эти приборы помещаются в металлический корпус, который защищает их от внешних электрических помех.

В отличие от электрического, постоянное магнитное поле свободно проникает внутрь клетки Фарадея.

Источник

Электростатическая защита

«Злобный» автомобиль

Очень часто искра статического разряда проскакивает между автомобилем и автолюбителем (пассажиром). Что делать, если ваша машина постоянно награждает вас ударом тока? Как снять статическое электричество с автомобиля, чтобы каждый раз, вылезая из машины, она не «кусала» вас на прощание?

Здесь проблема, опять же, кроется в вас, то есть в вашем поведении за рулем и в материалах, из которых сделаны чехлы для автомобильного сиденья или само сиденье. Сидя за рулем, вы все равно двигаетесь, создавая трение. В вас копится заряд, а резиновые коврики авто препятствуют разрядке, и напряжение остается в вас все время нахождения в машине, пока вы, вылезая из нее, не прикоснетесь частью тела к металлическому кузову автомобиля. В этот момент и происходит разрядка. Приятного мало, а потому следует запастись специальными средствами обработки кресел автомобиля. Эти антистатики имеют вид аэрозолей. Распылив это средство на чехлы кресел, вы воспрепятствуете тому, чтобы во время трения они накапливали в вас положительный заряд.

Но автомобиль — такая вещь, которая сама может накапливать в себе статику, особенно в сухую погоду. Для того чтобы этого не происходило и ваш автомобиль не лупил вас током почем зря, купите в магазине автозапчастей специальную полоску (ремешок), которая крепится под задним бампером и запитывается к корпусу машины. Нынешние разновидности антистатических ремешков и вовсе крепятся к выхлопной трубе. Кончик такой полоски, постоянно соприкасаясь с землей, будет препятствовать накоплению статики в кузове.

История изучения явления

Все эти поразительные эффекты вызывались до смешного простыми средствами: стеклянной палочкой, натертой сухим мехом, вращающимися стеклянными шарами и цилиндрами, трущимися о ладони человека, изолированного от пола. Всеобщее увлечение электричеством от трения во второй половине XVIII века можно сравнить лишь с энтузиазмом, за сто лет до этого вызванным открытием атмосферного давления.

Согласно определению, статическое электричество как эффект – опасное явление, угрожающее здоровью и практической деятельности любого человека. Чтобы осмыслить и понять его природу, следует вспомнить, что все известные вещества состоят из молекул, а последние из мельчайших частичек, называемых атомами. В их центре находится ядро с протонами и нейтронами, а вокруг него по различным орбитам вращаются группы электронов. Суммарный заряд этих частиц соответствует тому же показателю для протонов, поэтому атом в целом нейтрален.

Даже самые трезвые ученые поддались всеобщему опьянению. Как некогда пытались свести все к действию атмосферного давления, так теперь ухитрялись проявление электричества увидеть и во вращении планет вокруг Солнца, и в возникновении землетрясении, и в течении многих болезней. Не случайно 1750 — 1780-е годы вошли в историю физики как «период электричества от трения».

Изображение атома

Конец этому периоду положило «создание прибора, который по своим действиям сходен с лейденской банкой… но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой». Так в 1799 году А. Вольта описывал свою электрическую батарею — великое изобретение, резко изменившее весь ход электрических исследований.

Вольтов столб, давший возможность получать сравнительно большие токи при невысоких напряжениях, сосредоточил внимание ученых на магнитных, механических и тепловых действиях электрического тока, которые к концу XIX века уже лежали в основе всей электротехники. Но лишь в XX веке начал возрождаться интерес к некогда заброшенному «электричеству от трения»

И причиной этого возрождения стало важное изобретение, сделанное на рубеже столетий, — коронный разряд …

Причины появления

Оно может возникать на изолированных проводниках, на поверхности или в объеме диэлектриков. Трение, возникающее при соприкосновении двух веществ разного рода, ведет к электризации диэлектриков. Это происходит из-за различных молекулярных и атомных сил. Можно сказать, что статическое электричество получается при нарушении их равновесия благодаря приобретению или потере электрона.

Объяснить этот процесс очень просто. Состояние равновесия атома достигается при наличии одинакового числа протонов и электронов. Перемещаясь от одного атома к другому, электроны формируют положительные и отрицательные ионы.

При их дисбалансе и возникает статическое электричество. Протоны и электроны имеют одинаковый электрический заряд, но с разной полярностью. Он измеряется в кулонах и определяет количество электричества, которое проходит за 1 сек. в поперечном сечении проводника. Статический заряд прямо пропорционален числу неустойчивых ионов, то есть дефициту или избытку электронов.

Природное статическое напряжение

Статическое электричество способно генерироваться. Это происходит за счет отсутствия у положительного иона одного электрона, вследствие чего он может принимать от отрицательной частицы свободный электрон. В свою очередь отрицательный ион может представлять собой атом либо молекулу, обладающую большим количеством электронов. В этих случаях имеется один электрон, который способен нейтрализовать положительный заряд.

Основными причинами, влекущими за собой возникновение статического электричества, являются:

Явление, называемое статическим электричеством, встречается повсеместно в быту. Электростатический разряд происходит при очень высоких показателях напряжения, но при низких токах. При этом не возникает опасности для человека. Несмотря на это, защита от статического электричества необходима, так как оно может быть опасным для многих элементов электроприборов. От него очень часто страдают транзисторы, микропроцессоры, схемы и т.д.

Откуда берется положительный заряд в нашем теле?

Объясним доступным и понятным для всех, даже тех, кто не поднаторел в физике, языком. Любой заряд материальные объекты накапливают в себе посредством трения. Каждый атом, из которого состоит любое материальное тело (в том числе и человеческое), имеет вращающиеся вокруг его ядра электроны. Приведем простой пример.

Когда мы снимаем с себя одежду через голову и бросаем кофту на диван, большое количество электронов посредством трения как бы стирается со своих орбит и переходит на кофточку, которую мы сняли. Общеизвестно, что электроны – отрицательно заряженные частицы, а потому кофточка наша становится отрицательно заряженной, так как в ее тканях теперь ощущается переизбыток электронов с нашего тела, в то время как мы сами становимся положительно заряженными, поскольку в тканях теперь ощущается дефицит отрицательно заряженных частиц.

Если после этого мы решим притронуться к металлическому объекту или другому человеку, мы ощутим разряд тока. Между кончиками пальцев руки и объектом возникнет микроскопический разряд молнии, во время которого и произойдет в прямом смысле слова разрядка. Наше тело посредством этого разряда вберет в себя недостающее количество электронов из этого объекта, и в нем вновь энергетика станет сбалансированной. Плюс и минус вновь будут уравновешены.

Заземление оборудования

Один из самых действенных и распространенных способов защиты от статического электричества – заземление. В результате применения этого метода все предметы, в которых может образоваться заряд, образуют единую цепь, подсоединенную, в свою очередь, к зануляющему проводнику. Он, как правило, представляет собой помещенную в почву стальную конструкцию.

Заземление – самый распространенный и эффективный способ защиты

К сведению! Польза защитного заземления в том, что при образовании заряда он сразу уходит на «ноль», проделывая при этом путь через все элементы цепи.

Заземлить на производстве необходимо все металлические и неметаллические конструкции, обладающие токопроводностью. Среди них:

Чтобы установить заземление, понадобится выполнить следующие действия.

Так выглядит заземлитель

Важно! Заземлять необходимо не только стальные, но и полимерные трубопроводы. Требования здесь несколько иные

Сопротивление между любой точкой трубопровода и заземляющим контуром не должно быть более 100 000 кОм (допускается небольшая статистическая погрешность). Это может потребовать заземления в нескольких местах.

Защита трубопроводов и промышленного оборудования от статического напряжения

Наиболее тяжелые последствия разряд может вызвать, если затронет трубопроводы на объектах промышленности. Особенно тяжелыми будут последствия такого воздействия на химическом, нефтеперерабатывающем предприятии. Это касается и использующихся в быту газопроводов. Чтобы их избежать, принимают меры, которые направлены на защиту трубопроводов на производстве от статического электричества.

Правила защиты

Перечень подобных мер в Российской Федерации регулируется правилами, которые были утверждены 31 января 1971 года, и действуют по сей день.

Защита трубопроводов урегулирована специальными правилами

Методы защиты

Нормативный документ предусматривает следующие мероприятия, направленные на предотвращение возникновения зарядов статического электричества:

Источник

STMicroelectronics: электростатический разряд больше не проблема

Алексей Гребенников (г. Москва)

Защита от статического электричества необходима каждому современному устройству. Основным компонентом множества электронных плат является микроконтроллер, имеющий набор периферийных блоков, разъемы для подключения аудио, карт памяти, а также всевозможные кнопки управления, которые должны быть надежно защищены от статики. Компания STMicroelectronics представляет решения, соответствующие стандарту IEC61000-4-2, а специальное приложение PROTECTION FINDER поможет легкого и эффективно подобрать необходимые компоненты.

Современные электронные устройства, особенно микропроцессорная техника, как правило, работают от источников питания с напряжением порядка единиц вольт. Однако эти же устройства могут подвергаться кратковременным нагрузкам с напряжением, достигающим нескольких десятков киловольт — такие высокие напряжения образуются за счет электростатических разрядов. Поэтому для надежной отказоустойчивой работы электронные устройства должны быть спроектированы с использованием защиты от подобных разрядов. Компания STMicroelectronics представляет надежные методы защиты от электростатических разрядов.

Источники возникновения и уровни защиты от статического электричества

Статическое электричество образуется за счет трения материалов и последующего их разъединения. Обмен электронами между материалами, называемый трибоэлектронным зарядом, приводит к образованию электростатического поля. Механизм образования этого поля показан на рисунке 1.

Рис. 1. Образование статического электричества

Статическое электричество регулярно генерируется за счет обычных повседневных действий, совершаемых каждым человеком ежедневно. Уровень напряжения зависит от влажности воздуха: чем выше влажность, тем ниже статическое напряжение. В таблице 1 приведены величины напряжений статического электричества при выполнении некоторых действий.

Таблица 1. Типовые величины статического напряжения

Как видно из таблицы 1, простая прогулка по ковру может привести к образованию заряда статического электричества напряжением до 35 кВ!

Исследование влияния статического электричества на выход устройств из строя показало, что перенапряжение является причиной 20% неисправностей и 30% электрических поломок оборудования, составляя самый большой процент из всех причин выхода приборов из строя. На рисунке 2 показаны три основных механизма повреждения статическим электричеством.

Рис. 2. Механизмы повреждения электронного оборудования

При расплавлении кремния энергия электростатического разряда разрушает или повреждает полупроводниковый переход, приводя к короткому замыканию цепи

Отверстие в оксиде возникает из-за высокого уровня напряжения статического электричества, превышающего предел прочности диэлектрика. В этом случае может произойти пробой диэлектрика, что в свою очередь приведет к короткому замыканию. Чем тоньше слой диэлектрика, тем он чувствительней к статическому электричеству.

Высокий ток разряда статического электричества может привести к плавлению слоя металлизации, в результате чего образуется обрыв электрической цепи.

Возможна комбинация нескольких механизмов повреждения, например, пробой полупроводникового перехода может привести к расплавлению слоя металлизации за счет высокого тока разряда.

Все эти повреждения приводят к образованию обрывов электрических цепей или к их короткому замыканию, что полностью выводит устройство из строя. Однако статическое электричество также может стать причиной увеличения токов утечки или снижения проводимости без полной потери функционала прибора. Это так называемые скрытые дефекты, которые на практике очень сложно детектировать.

По мере развития микроэлектронных устройств их чувствительность к статическому электричеству возрастает, поскольку уменьшаются размер полупроводниковых переходов, толщина оксидов, сечение проводников. На рисунке 3 показана зависимость чувствительности к статическому электричеству от года производства.

Рис. 3. Чувствительность к статическому электричеству

Как видно из рисунка 3, в 1999 году запас прочности (разница между напряжением питания и напряжением выхода из строя) составлял 8 В, тогда как в 2019 году этот запас снизился до 2 В. Влияние статического электричества увеличивается и все более важное значение приобретают вопросы защиты от него.

Для обеспечения единого подхода в оценке и методах защиты от статического электричества был разработан набор отраслевых стандартов (рисунок 4).

Рис. 4. Стандарты защиты от статического электричества

Эти стандарты можно разделить на две большие группы:

Защита ESD при эксплуатации автомобильной техники выделена в отдельный стандарт – ISO10605.

На компонентном уровне модель человеческого тела (HBM, стандарт ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) описывает форму волны ESD и тестовую методику, приблизительно соответствующую разряду статического электричества через палец человека. Эта модель широко используется во время производственных процессов для обеспечения отказоустойчивости интегральных цепей. Согласно этой модели, все вводы-выводы микросхемы должны быть защищены.

Человеческое тело – не единственный источник статического электричества. Машинная модель (MM) исследует возникновение статического заряда в оборудовании, используемом для производства. Этот заряд разряжается при соприкосновении с корпусом микросхемы. Модель описана в стандарте JEDEC: JESD22-A115-A.

Согласно модели заряженного устройства (CDM), также моделируются заряд и разряд, которые происходят в промышленном оборудовании. При этом моделируется событие статического разряда, из-за которого устройство приобретает заряд через какие-либо процессы трения или индукции и резко касается заземленного объекта или поверхности. Наиболее вероятные события в модели CDM происходят при контакте металла с металлом. Тестовые требования аналогичны спецификации JEDEC JESD22-C101C.

На системном уровне защищаются только выводы, контактирующие со внешней средой, такие как разъемы, кнопки, антенны и так далее. В этом случае методика тестирования описывается стандартом IEC 61000-4-2. Согласно этому стандарту, электростатический разряд может происходить при непосредственном контакте двух поверхностей или через воздух. Регламентируются различные величины напряжений, соответствующие разным уровням тестирования, как это показано в таблице 2.

Таблица 2. Уровни тестов IEC 61000-4-2

При контактном разряде вывод тестового генератора, вырабатывающего высокое напряжение, непосредственно касается корпуса тестируемого устройства. При разряде через воздух между контактом генератора и корпусом тестируемого устройства сохраняется некоторый зазор, через который происходит электрический разряд с образованием искры.

Результаты тестирования также делятся на четыре категории, как это показано в таблице 3.

Таблица 3. Результаты тестирования по стандарту IEC 61000-4-2

Как видно из таблицы 3, при результате тестирования A и B вмешательство оператора не требуется. При результате C функционал устройства можно восстановить, но требуется системный сброс. При результате D происходит необратимое повреждение устройства.

Для разных типов электроники предъявляются различные требования стандарта IEC 61000-4-2. Наиболее распространенным уровнем защиты в бытовой электронике является уровень 4. Все устройства, производимые компанией STMicroelectronics, соответствуют или превосходят уровень 4.

Несмотря на некоторое сходство, стандарты HBM и IEC имеют различия, которые показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Различие стандартов HBM и IEC

В стандарте IEC заряжается большая емкость, а разряд происходит через меньшее сопротивление, поэтому во время теста IEC устройству передается намного больше энергии, чем при тесте HBM.

Выбор защиты от статического электричества

При проектировании электростатической защиты устройства необходимо учитывать ряд ключевых параметров, показанных на рисунке 6.

Рис. 6. Ключевые параметры защиты от статического электричества

Для обеспечения необходимого номинального напряжения нужна защита от переходных напряжений. Схемы работы устройства с защитой и без показаны на рисунке 7.

Рис. 7. Защита от переходных напряжений

Допустим, электрический сигнал изменяется по закону, изображенному как синяя кривая на рисунке 7. Если в системе нет защиты, то такой сигнал приведет к выходу системы из строя, так как в некоторый промежуток времени входное напряжение превысит напряжение пробоя. Если же в системе есть защита (ограничивающий диод), то при достижении определенного уровня напряжения диод начинает проводить ток, что ограничивает дальнейшее повышение напряжения, как это видно на рисунке 7 (красная кривая). В моменты времени, когда входное напряжение превышает порог срабатывания диода, ток через диод возрастает (черная кривая на рисунке 7).

Следует отметить, что схема защиты, изображенная на рисунке 7, ограничивает положительное напряжение и полностью отфильтровывает отрицательное напряжение, то есть является однополярной. Для пропускания сигнала обеих полярностей необходимо использовать двуполярную схему защиты, в которой два диода включаются встречно. Двуполярная схема защиты обязательна для аудио- и радиочастотных сигналов.

Защита ESD должна защищать микросхемы, не нарушая нормального режима их работы. Например, паразитная емкость защиты ESD должна быть достаточно низкой, чтобы пропускать весь спектр полезного сигнала без искажений.

Удобным инструментом для анализа качества канала передачи данных является глазковая диаграмма. Она позволяет визуализировать процесс передачи последовательности бит данных и показать потенциальные проблемы канала. Для построения глазковой диаграммы развертка осциллографа по оси Х устанавливается равной скорости передачи данных, при этом происходит их непрерывный прием. Допустимая форма сигнала часто задается с помощью шаблона, как это показано на рисунке 8.

Рис. 8. Глазковая диаграмма с шаблоном

На рисунке 8 шаблон обозначен синим цветом. Если линии диаграммы выходят за границы шаблона, качество канала считается неприемлемым. Для высокоскоростных протоколов передачи данных, таких как HDMI, USB и прочие, как правило, задаются шаблоны для глазковой диаграммы, по которым и производится оценка качества канала.

Шаблоны также задаются в спецификациях ESD к высокоскоростным протоколам. На рисунке 9 показана глазковая диаграмма для USB 3.1 Gen2 на скорости 10 Гбит/с.

Рис. 9. Глазковая диаграмма для USB 3.1 Gen2

На рисунке 9а показана глазковая диаграмма для канала без защиты ESD, на 9б – для канала с защитой ESD. Как видим, защита ESD не внесла искажения в характеристики канала, форма глазковой диаграммы не изменилась.

Другим важным параметром для высокоскоростных линий является импеданс TDR. Величина этого импеданса указывается в спецификациях, предполагающих использование длинных кабелей, таких как HDMI. В стандартах USB такой импеданс не указывается.

Для измерения импеданса TDR в линию подается импульс со строго заданными характеристиками. Этот импульс отражается при несбалансированной нагрузке. Оба сигнала – прямой и отраженный – замеряются широкополосным осциллографом и с помощью дополнительных вычислений определяется величина TDR импеданса. В качестве примера на рисунке 10 показаны импедансы TDR для линий с ESD защитой и без нее для протокола HDMI 2.0b.

Рис. 10. TDR-импеданс линии HDMI 2.0b

В спецификациях для аналоговых сигналов указывают параметр S21 в децибелах. Этот параметр характеризует ослабление сигнала за счет применения защиты ESD. На рисунке 11 показан пример использования диода ESDARF02-1BU2CK для защиты антенны.

Рис. 11. Влияние на радиочастотный сигнал, ослабление S21

Ослабление, вносимое этим диодом, пренебрежимо мало во всем диапазоне частот, используемом для беспроводной коммуникации.

Рассмотрим вопросы качества защиты ESD. Ключевым параметром здесь является отклик системы на электростатический разряд 8000 В. На рисунке 12 показан временной отклик для диода ESD051-1BF4.

Рис. 12. Временной отклик диода ESD051-1BF4

На рисунке 12 хорошо видны две характерные величины. Первая – пик напряжения в начале отклика. Это низкоэнергетический пик, так как его длительность составляет всего несколько наносекунд. Амплитуда для ESD051-1BF4 равна 23 В. Далее следует высокоэнергетический импульс – 30 нс с напряжением фиксации порядка 11 В. Временной отклик на напряжение 8 кВ обычно публикуется в спецификациях на устройства, так как он соответствует уровню 4 стандарта IEC61000-4-2.

Для проведения ESD-анализа используется импульс линии передачи – TLP. Прямоугольный токовый импульс длительностью 100 нс прикладывается к устройству защиты. Затем измеряется остаточное напряжение на участке от 70% до 90% длительности импульса, как это показано на рисунке 13.

Рис. 13. ESD-анализ с помощью TLP-импульса

Для диода ESD051-1BF4 при токе импульса 16 А получаем напряжение TLP порядка 10,5 В, что примерно соответствует напряжению фиксации теста 8 кВ IEC 61000-4-2.

Если последовательно прикладывать импульсы с разным номиналом тока, можно получить зависимость напряжения от тока для TLP-импульсов, как это показано на рисунке 14, где изображена зависимость напряжения от тока для диода ESD051-1BF4.

Рис. 14. Зависимость напряжения от тока для TLP-импульсов

При построении сложных систем возможно построение графиков, подобных рисунку 14, для нескольких компонентов. Например, на рисунке 15 показаны зависимости TLP-импульсов для защитного диода и микроконтроллера.

Рис. 15. Зависимости импульсов TLP для диода и микроконтроллера

На рисунке 15 можно выделить три характерных значения напряжения для микроконтроллера:

Из рисунка 15 видно, что ток, протекающий за счет события статического разряда, разделяется между внутренней защитой микроконтроллера и внешним защитным диодом, в данном случае ESD051-1BF4.

Вместо обычной защиты от ESD можно использовать специализированные устройства со скачкообразным переходом в состояние защиты (Snap-Back Protection), как это показано на рисунке 16.

Рис. 16. Использование устройств со скачкообразным переходом в состояние защиты (Snap-Back Protection)

Как показано на рисунке 16, напряжение удержания у устройства ESDZV5-1BF4 меньше чем напряжение включения. Поэтому при импульсе тока 16 А напряжение фиксации для диода ESDZV5-1BF4 будет примерно на 2 В ниже чем для стандартного диода ESD051-1BF4. Однако при использовании такой схемы необходимо, чтобы постоянное напряжение, присутствующее в линии, было меньше чем напряжение удержания устройства защиты. В противном случае будет наблюдаться постоянная утечка.

Особенности трассировки печатной платы при организации защиты от ESD

При проектировании печатной платы очень важно соблюдать правила защиты от ESD. На рисунке 17 представлена классическая схема защиты от статического электричества.

Рис. 17. Классическая защита от статического электричества

В этой схеме устройство защиты (диод) расположено между внешним разъемом и устройством, которое мы хотим защитить. Следует обратить внимание, что при возникновении события статического разряда важную роль начинает играть импеданс соединительных проводников печатной платы. Высокие токи и импеданс проводников могут привести к нежелательному перенапряжению на выводе защищаемого устройства. Индуктивность проводников варьируется, в зависимости от технологии изготовления печатной платы, но примерно можно принять, что индуктивность 1 мм проводника равна 1 нГн. Проблема индуктивности проводников особенно важна для участков, выделенных красным цветом на рисунке 17. Предположим, что индуктивность одного проводника равна 5 нГн. Эквивалентная схема с такими допущениями приведена на рисунке 18.

Рис. 18. Модель события электростатического разряда

При возникновении события ESD предполагается, что диод ограничивает напряжение на входе защищаемого устройства до величины напряжения фиксации, обеспечивая таким образом защиту от перенапряжения. Однако для схемы, изображенной на рисунке 18, это не совсем верно, потому что при электростатическом разряде генерируется значительный ток, который также протекает по проводникам печатной платы. В результате этого на индуктивностях печатных проводников образуется падение напряжения, пропорциональное величине индуктивности и скорости изменения тока. В этом случае на входе защищаемого устройства будет напряжение, равное сумме падений напряжения на индуктивностях и на диоде. Если предположить, что индуктивность проводника равна 5 нГн, а скорость изменения тока составляет 37,5 А/нс, то суммарное падение напряжения может превышать сотни вольт. Такое напряжение вполне способно повредить микросхему.

Решение этой проблемы очень простое – необходимо контролировать форму проводников печатной платы. Пример формы проводников приведен на рисунке 19.

Рис. 19. Форма проводников для защиты от ESD

Длина проводников должна быть минимизирована, а форма должна быть похожей на представленную на рисунке 19. Необходимо также минимизировать длину заземляющего проводника, и что особенно важно – для минимизации паразитной индуктивности межслоевой переход должен располагаться по возможности ближе к устройству защиты и к выводу заземления защищаемого устройства.

Эквивалентная схема правильной защиты показана на рисунке 20.

Рис. 20. Эквивалентная схема правильной защиты от ESD

В случае схемы, представленной на рисунке 20, напряжение на защищаемом устройстве не будет превышать напряжение фиксации диода. Также рекомендуется, чтобы устройство защиты располагалось как можно ближе к источнику возмущения, в данном случае – к разъему.

Примеры защиты от ESD

Основным компонентом множества электронных плат является микроконтроллер. У него, как правило, есть набор периферийных блоков, которые и являются связующим звеном со внешним миром. Например, широкую известность получили такие шины передачи данных, как USB, RS-232, Ethernet и их разъемы для подключения внешних устройств. Кроме этого, существуют разъемы для подключения аудио, карт памяти, а также всевозможные кнопки для выполнения определенных функций пользовательских программ. Все эти периферийные устройства должны иметь соответствующую защиту от статического электричества.

Рассмотрим несколько конкретных примеров. На рисунке 21 показана защита ESD для шины USB 2.0.

Рис. 21. Защита ESD для шины USB 2.0

Схема подключения USB-кабеля должна иметь в своем составе такое устройство, которое бы надежно защищало микроконтроллер от статического электричества и в то же самое время обладало низкой емкостью для обеспечения совместимости с глазковой диаграммой протокола USB. Устройство USBLC6 отлично подходит для этих задач, обеспечивая глазковую диаграмму, совместимую со стандартом USB 2.0 и выдерживая разряд ±15 кВ, согласно стандарту IEC61000-4-2. Рекомендации по схеме и внешнему виду печатной платы для USBLC6 могут быть найдены в референсном дизайне для микроконтроллера STM32L4.

На рисунке 22 показана схема подключения для RS-232.

Рис. 22. Защита ESD для шины RS-232

В этом примере, как и в примере для USB, нужно обеспечить две функции: защиту от статического электричества и удовлетворительные характеристики канала передачи данных. Для шины RS-232 используется защитное устройство ESDA14V2BP6, выполняющее обе функции. Рекомендации по схеме и внешнему виду печатной платы для ESDA14V2BP6 также могут быть найдены в референсном дизайне для микроконтроллера STM32L4.

На рисунке 23 показана схема подключения кнопок.

Рис. 23. Защита ESD для кнопок

Кнопки подсоединены к портам ввода/вывода микроконтроллера, поэтому защита кнопок от статического электричества фактически является защитой портов микроконтроллера. Несмотря на то, что кнопки выполнены из непроводящего материала, они чувствительны к статическому электричеству. ESDA5V3L выполняет функции защиты портов микроконтроллера от статического электричества. Помимо этого, данная диодная сборка совмещает два диода в одном корпусе, позволяя таким образом уменьшить общий размер печатной платы, что также важно. Рекомендации по трассировке и схемотехнике для кнопок приведены в референсном дизайне для микроконтроллера STM32L4.

Рис. 24. Защита ESD для платы STM32MP1-DK2

На рисунке 24 показана плата STM32MP1-DK2 и специально выделены все компоненты, отвечающие за защиту от статического электричества. Как видно из рисунка, все периферийные устройства микропроцессора, включая порты ввода/вывода и разъем для подключения SD-карты, надежно защищены от статического электричества. Все эти меры по защите позволяют получить устройство, соответствующее стандарту IEC61000-4-2 на системном уровне.

Для легкого и эффективного подбора компонентов, необходимых для защиты от статического электричества, компания STMicroelectronics разработала специальное приложение PROTECTION FINDER, доступное как для Android, так и для IOS (рисунок 25). Это приложение имеет удобный графический интерфейс и позволяет всего за четыре шага выбора из меню подобрать нужное устройство защиты для конкретного приложения.

Рис. 25. Реквизиты приложения ST PROTECTION FINDER

Защита от статического электричества является необходимым элементом любого современного устройства. Для унификации требований по защите был разработан ряд стандартов, описывающих тесты для различных условий применения. Для соответствия данным стандартам необходимо использование специальных устройств и практик проектирования печатных плат. Все устройства производства STMicroelectronics проектируются с учетом самых жестких требований по защите от статического электричества. Кроме того, ряд дополнительных инструментов, таких как доступные примеры проектирования и специальные программные приложения, облегчают пользователям создание собственных устройств в соответствии со всеми необходимыми стандартами. Специалисты КОМПЭЛ всегда рады помочь сделать правильный выбор для конкретного приложения.

Источник