Protection ESD pour les conceptions sans fil
La décharge électrostatique (ESD) est la libération soudaine et incontrôlée d'énergie électrique statique. Cette décharge d'énergie électrique peut endommager les circuits intégrés sensibles, et les concepteurs de systèmes sans fil doivent être conscients des décharges électrostatiques.
Les fabricants de systèmes sans fil développent des spécifications ESD plus strictes, ce qui complique la tâche des concepteurs de circuits imprimés. Il existe une variété de normes ESD différentes, ce qui complique l'effort de conception. Nous considérons les deux normes internationales les plus courantes : modèle de corps humain HBM (humanbodymodel) et CEI1000-4-2. La première norme simule les conditions de contact et s'applique à l'appareil ; la deuxième norme est utilisée pour la protection ESD au niveau du système.
La protection ESD pour les conceptions sans fil est confrontée à des défis particuliers. Il existe différentes techniques de protection ESD, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Cependant, pour les conceptions sans fil, les performances, l'espace du circuit, le poids, la consommation d'énergie et le coût favorisent tous l'utilisation de réseaux de protection à diodes intégrés.
De plus, nous verrons comment appliquer le réseau de diodes pour obtenir les meilleures performances de protection ESD. Les performances optimales sont étroitement liées à la disposition de la carte de circuit imprimé pour garantir que les courants ESD peuvent pénétrer dans le dispositif de protection sans endommager les circuits intégrés sensibles. De plus, l'utilisation d'un réseau de protection à diodes doit prêter attention au problème de mise hors tension du système. Enfin, il n'y a pas de moyen facile de relier les performances de protection ESD d'un appareil aux performances de protection d'un système, mais spécifier une tension de blocage pour protéger l'appareil est un moyen efficace de connecter les deux.
Le test HBMESD standard ESD est généralement utilisé pour les circuits intégrés, tandis que IEC1000 définit le test ESD du système. Les deux utilisent le modèle ESD de décharge des condensateurs traversant des résistances de limitation de courant (Figure 1). La différence est la taille de la valeur de l'appareil. Pour HBM, la valeur du condensateur est de 100pF et la résistance de limitation de courant est de 1500Ω. Notez que le courant de décharge de crête de IEC1000 est presque 5 fois supérieur à celui de HBM pour la même tension ESD. De plus, l'IEC1000 utilise des méthodes de décharge par contact et de décharge dans l'air pour tester l'équipement. La norme définit la tension ESD de décharge de contact de 2kV à 8kV, et le contact d'air peut atteindre 15kV. Notez que le temps de montée du courant spécifié par IEC1000 est inférieur à 1ns, nécessitant une réponse très rapide du dispositif de protection (Figure 2). Pour la même raison, la disposition de la carte est essentielle pour obtenir la protection ESD d'un système.
Méthodes de protection Si les exigences de protection ESD de la CEI1000-4-2 doivent être respectées, les équipements de communication sans fil doivent être correctement protégés. Les zones touchées par l'utilisateur, telles que les boutons et les ports d'E/S, sont sensibles aux décharges électrostatiques et nécessitent donc une protection. Une technique simple consiste à placer des condensateurs sur les lignes de communication pour absorber les impulsions ESD, ce qui réduit le débit du signal et augmente la consommation de courant du variateur. Un éclateur peut être utilisé sur la carte. L'éclateur est conçu pour fusionner pendant l'impulsion ESD, et le courant est shunté dans le sol. Cependant, cette technologie prend beaucoup de place et provoque une protection ESD peu fiable après vieillissement. Les dispositifs MOV (varistance à oxyde de métal) peuvent être désactivés à des tensions élevées et peuvent être utilisés dans des applications avec des temps de réponse lents. Cependant, leur encombrement et leur grande capacité les rendent inadaptés à la protection des lignes de signal, et un inconvénient supplémentaire est leur caractéristique de vieillissement.
Pour les diodes Zener, bien que capables de bloquer des courants importants à une tension donnée, elles produisent des capacités parasites qui ne sont pas nécessaires pour protéger les lignes de signal. En revanche, les diodes rapides à faible capacité connectées à la terre et à l'alimentation sont une bonne solution. Ils peuvent gérer de grands courants de crête, avoir de petits courants de fuite inverses et peuvent résister à plusieurs décharges électrostatiques sans dommage ; il détourne avec succès les impulsions ESD des dispositifs de protection sensibles et a une longue durée de vie. Cependant, une paire de diodes est nécessaire par ligne de garde. Malgré le faible prix par appareil, le coût total d'installation et l'espace requis rendent une solution divisée inadaptée.
Par exemple, 17 paires de diodes sont nécessaires pour protéger le port parallèle IEEE-1284. L'intégration de différents nombres de paires de diodes dans un seul boîtier permet d'obtenir une solution optimale et rentable.
Le principe de protection ESD du réseau de diodes du réseau de protection de diodes intégré est très simple. Une paire de diodes connectées à l'alimentation et à la masse est ajoutée à la ligne de signal protégée. Pendant le fonctionnement normal, ces diodes sont polarisées en inverse, mais une polarisation directe se produit lorsque la tension sur la ligne de signal est supérieure ou inférieure, respectivement, à la tension sur la borne correspondante. La polarisation directe se produit pendant une impulsion ESD, lorsque la diode tire du courant dans l'alimentation ou la masse, laissant l'appareil protégé, qui n'est soumis qu'à un petit choc de tension et de courant.
Étant donné que les broches d'E/S du circuit intégré sont conçues pour résister à des tensions HBMESD de 2 kV, le dispositif protégé peut supporter cette énergie, mais cela impose des exigences plus strictes sur le réseau de diodes externes. Selon la méthode de la CEI1000-4-2, ces réseaux doivent résister à une "décharge de contact" de 8 kV. De plus, il doit également bloquer la tension derrière lui afin que les circuits intégrés ou autres dispositifs passifs ne soient pas endommagés. Enfin, afin de ne pas dégrader les performances du signal, la capacité totale de la paire de diodes doit être inférieure à 5pF.
Étant donné que les applications sans fil nécessitent généralement des packages à faible encombrement, les dispositifs de protection doivent être conditionnés dans des packages SOT, MSOP et QSOP, qui sont plus compétitifs que les solutions discrètes (Figure 3).
L'optimisation de la protection ESD doit prêter attention à la conception et à l'installation de la carte de circuit imprimé. Tout d'abord, minimisez l'inductance parasite entre le point d'entrée de l'impulsion ESD et le réseau de protection à diode (Figure 4). L'inductance parasite résistera aux changements rapides du courant d'impulsion ESD, permettant au courant ESD entrant dans le réseau de diodes de circuler dans le dispositif protégé. À cet égard, le concepteur doit placer le réseau de diodes entre l'inductance et le dispositif protégé, ce qui améliore les performances de protection ESD de deux manières : l'inductance résiste aux variations rapides de courant et se propage dans le temps, réduisant le courant de crête ; ESD Les impulsions sont forcées de passer d'abord par le réseau de diodes, et seule une petite fraction des impulsions entre dans les appareils suivants.
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