¿Qué tan necesaria es realmente la protección ESD?

No estoy preguntando sobre la fabricación. Estoy preguntando sobre el diseño de productos electrónicos para sobrevivir al uso normal en el campo. Quiero averiguar qué tan necesario es incluir diodos TVS en mi diseño.

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

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

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

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

Si necesito diodos TVS, ¿también necesito resistencias en serie? Miré la hoja de datos para un televisor de 5 V adecuado, especifica una caída de voltaje máxima de 24 V cuando se desvía un pico de ESD de 20 amperios. Si conecto el TVS directamente al pin de E/S, conducirá el diodo ESD dentro del IC. 24 V es mucho mayor que la caída del diodo ESD de 0,3 V.

Podría poner una resistencia en serie de 33 ohmios entre el TVS y el pin de E/S. Esto limita la corriente a menos de un amperio 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 absorba la mayor parte de la descarga?

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Debe incluir protección ESD en cualquier cosa que alguien pueda tocar después de frotarse el cabello con un globo.
Te confundes con algo que nosotros, los ingenieros de diseño, aceptamos como parte del ensamblaje. La resistencia en las entradas funciona muy bien para circuitos integrados con diodos de abrazadera incorporados; de lo contrario, agregue zeners o TVS para ayudar. Es más probable que sufran daños por electricidad estática antes del ensamblaje por parte de personas descuidadas/sin capacitación en procedimientos de ESD.
Foxie, claramente no tienes experiencia de campo. Solía ​​soplar incluso TTL con ESD en los años 70 y siempre se esperaba un bloqueo CMOS en cables IO largos a menos que estuviera protegido. Incluso si todavía funciona, no hay garantía de que no lo haya herido con silicio parcialmente puenteado. y mayor capacitancia de unión.
Soy consciente de que TTL es sensible a ESD, pero parece que la mayoría de los diseños de consumo de los años 80 e incluso 90 apenas se molestaron con ninguna protección. He hecho bastante trabajo de reparación, pero parece relativamente poco común encontrar un búfer fallido en los puertos de E/S. La única explicación que se me ocurre es que el diseño del conector protege esos pines. En cuanto al uso de resistencias para proteger los pines, me dijeron que esto no siempre funciona porque la resistencia puede romperse internamente cuando se somete a decenas de kV.
No todas las unidades que fallan están expuestas a una tensión ESD de 5 a 15 kV, pero los voltajes de impulso a veces tienen 4 veces el umbral de ruptura de impulso frente a CC, según la capacitancia, la ESR y el tiempo de ionización. Pero con suelas de neopreno y una alfombra de nailon, estoy seguro de que podría romper la mayoría de las unidades que no están diseñadas para este estrés. Los tiempos de ionización tienden a elevar el umbral de resistencia para los pasivos según los contaminantes de la superficie. ~x4 si está iónicamente limpio para pulsos de submicrosegundos
Los fetos y diodos modernos tienen un rendimiento mucho mejor que en los viejos tiempos, por lo que la robustez no ha disminuido. De hecho, una vez que resolvieron los diodos de protección CMOS (74HC), como señala Tony, las cosas fueron mejor que antes.
La brecha física es otra cosa para diseñar. Un 0402 no es una brecha muy grande para evitar. También diseño de PCB para proporcionar rutas de corriente de falla que rodeen los componentes críticos, no a través de ellos.
"Tengo muchos pines de E/S y prefiero evitar la resistencia". - ¿por qué?

Respuestas (5)

Conté al menos cinco preguntas en su pregunta. Intentaré responder solo algunas.

Para empezar, existen varios niveles de eventos ESD que pueden ser especificados por el OEM del equipo, para diferentes entornos y otras condiciones de funcionamiento, 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 enrutado correctamente y los pines de señal están empotrados en el interior, hay muchas menos posibilidades de que las señales estén expuestas a un evento ESD directo, por lo que es posible que requieran un nivel menor de protección ESD.

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

Y sí, en los años 80 el tamaño característico 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 MCU "5V" modernas, las MCU modernas son MCU "1V". Los "MCU tolerantes a 5 V son la explosión del pasado. Puede haber MCU tolerantes a "5 V", pero su funcionalidad no está a la altura de las demandas modernas de IoT o debe pagar una prima por ellos.

El resto de preguntas son detalles insignificantes.

En resumen, es probable que desee que su producto sobreviva en un entorno industrial o de consumo y no desee lidiar con el reemplazo del producto y los costos asociados y el riesgo de cerrar el negocio. Necesitas decidir, ¿tu negocio es necesario para ti? En caso afirmativo, no haga preguntas y utilice mejor toda la sabiduría de ingeniería acumulada para proteger su diseño de ESD.

Sí, si el silicio puro puede soportar 30 kV/mm o 30 V/um y la capacitancia de la unión se reduce de 30 a 1~3 pF, entonces los espacios más pequeños, la sensibilidad a fallas aumenta para transitorios más rápido de lo que los diodos de protección de salida pueden responder para espacios muy cortos tiempos de subida en el rango de 10~100ps
Gracias, ¿entonces parece que puedo omitir la resistencia en serie? Mi impresión es que el diodo ESD, al ser tan pequeño, tendería a significar que la mayor parte de la corriente se desvía a través del TVS de todos modos.
@Foxie, no se trata de una impresión u otro sentimiento sutil. Se trata de diseñar en una huella para protección ESD, generalmente con varias opciones, y probar su producto en una mesa de zapping estándar de acuerdo con las especificaciones IEC 61000-4-2 al nivel requerido por su cliente y su entorno de trabajo. Si pasa con un gran margen, puede quitar las resistencias y probar nuevamente. etc.

La robustez es una elección de diseño que usted hace.

¿Comparas un PIC/74HC pequeño con el SOC en una raspberry pi o

PIC u otra lógica pequeña de 5V micro o 74HC: - número pequeño de pines - mucho espacio para pistas metálicas anchas - pines de alta corriente con capacidad de 50mA = área grande del pie - circuito de protección CMOS real - 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 cmos básico utilizado será 3.3 o 5V

SOC / super-micro/fpga - Almohadillas de unión en zigzag con pines Bazillion, metalización fina para enhebrar entre ellos - pies pequeños, capacidad de baja corriente. Debe ser así ya que tiene tantos pines - entrada tolerante a ?V - protegida por un arreglo zener: la estática se disipa en el diodo de protección en sí, no se descarga a los rieles de suministro - almohadillas de unión y pies pequeños = estructura de protección pequeña = energía de falla pequeña . - proceso básico de baja tensión 1.5V -2.5V

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Así que en resumen:

Piezas de alta tecnología: disipación 7x en 1/10 del área del pad/transistor/metalización, en un proceso cmos 2x más sensible al voltaje = 140x menos robusto. [La guerra de llamas comienza en el estacionamiento cuando el bar cierra]

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

  • 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 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 Cart 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 del campo E en el punto de contacto. Una superficie lisa tiene aproximadamente 3 veces más aislamiento dieléctrico a la ruptura que una punta afilada y, por lo tanto, como el espacio puede ser más pequeño, la corriente tiene menos efecto de propagación y es una corriente más alta, una densidad más alta y un tiempo de subida mucho más rápido y, por lo tanto, un ancho de banda mucho mayor. (RC=T=0,35/f). Las descargas en dieléctricos en grandes transformadores llenos de aceite pueden exceder >>10 GHz y también incluyen el espectro óptico.

Por lo tanto, las corrientes ESD son variables, pero la energía de la fuente del modelo de prueba es fija según lo definido por C y V, pero el nivel de potencia depende de qué tan breve sea la duración del pulso.

También sabemos que la capacitancia del diodo es inversa a 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 cualidades similares a zener y pequeños diodos Schottky con dos etapas para ESR*C=T siguen siendo la mejor solución para las compensaciones de protección interna CMOS entre velocidad máxima y Máxima protección Después de que todos los diodos deben responder más rápido que el latchup CMOS para protegerlos, pero el tamaño limita estos diodos a 5 a 10 mA de corriente CC máxima de una disipación de potencia CC Absoluta máxima.

Entonces, ¿cómo es que dos etapas son 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 en serie/derivación de cualquier voltaje aplicado puede ser una atenuación mayor que tener una impedancia en serie baja.

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Consejo

Si desea mejorar significativamente la protección con una serie R o una perla de ferrita, siempre que no degrade el ancho de banda deseado de L/R o 1/RC = 0,35/f. Una perla pequeña es como una derivación de 100 pF, pero aumenta el tiempo de subida para permitir que los diodos de derivación respondan más rápido que el tiempo de subida de entrada.

No tengo suficiente tiempo para dedicarme a investigaciones recientes y resumirlas en una sola página, pero hay investigaciones en curso a medida que la litografía CMOS continúa reduciéndose.

• Se ha desarrollado una nueva estructura de cadena de diodos para protección ESD de 65 nm. • Posee un voltaje de sujeción un 30 % más bajo, un voltaje de sobreimpulso un 15 % más bajo bajo un pulso ESD muy rápido REF

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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 conectarlos a la línea de señal. El cátodo 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 pasa a GND.

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

¿Qué tan necesaria es realmente la protección ESD?
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