№11 / 2018 / статья 5

Как защитить радиоканал в устройствах интернета вещей

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Ускоренное внедрение интернета вещей показало необходимость защиты от потенциальных угроз скачков напряжения, одной из которых является электростатический разряд (ЭСР). В статье приведены основные методы защиты от ЭСР, –  диоды и диодные сборки, варисторы и супрессоры, – и решения от компаний, лидирующих в данной отрасли – Texas Instruments, Infineon, Littelfuse, Bourns.

Традиционные решения, применяемые для защиты от резких скачков напряжения, такие как использование разрядников, полупроводниковых стабилитронов, и/или ограничительных диодов, способны создать ложное чувство безопасности системы или даже нарушить алгоритм работы цепи. Например, диод (TVS) – распространенная защита, подавляющая пятивольтовый перепад напряжения — в стандартном включении способна дополнительно прибавить несколько сотен пикофарад к емкостному сопротивлению защищаемой цепи, вызывая значительное ухудшение высокочастотного сигнала. В свою очередь, защита высокоскоростного интерфейса является далеко не тривиальной задачей для создателя принципиальной схемы устройства и проектировщика печатной платы.

Одной из потенциальных угроз перепада напряжения является электростатический разряд (ЭСР или, в зарубежных источниках, ESD). Разряд данного типа может произойти тогда, когда аккумулированное статическое напряжение разряжается с одного объекта на другой, с более низким потенциалом. Материалы, на которых возникает ЭСР, относятся к серии трибоэлектрических, к ним относятся: нейлон, бумага, резина, винил и т.д. Все эти материалы широко распространены в быту, что несет дополнительную угрозу, так как человеческое тело является прекрасным аккумулятором статического напряжения. К примеру, человек, который идет по ковру из синтетического материала в обуви с изолирующей подошвой, способен при контакте с токопроводящим объектом, например, коаксиально-волноводным переходником, спровоцировать разряд величиной до 15 кВ: ковер и резиновая подошва ботинок при трении накапливают напряжение, переходящее, в конечном итоге, на тело человека.

Не только человеческое тело может стать причиной статического разряда. Для сетевых кабелей при работе вполне обычно накопление напряжения. Статический разряд может произойти тогда, когда кабель присоединяется к разъему персонального компьютера, что способно вызвать серьезные проблемы с «железом» для Ethernet, особенно, принимая во внимание тот факт, что немалое количество производителей пренебрегает мерами защиты.

Борьба с ЭСР

Первостепенным способом защиты от электростатических разрядов является добавление в схему специальных защитных элементов. Такие элементы должны выполнять две главные функции: сглаживать перепад в цепи или фиксировать скачок напряжения ниже порога повреждения защищаемой микросхемы для данной ширины импульса. В дальнейшем, во время нормальной работы цепи (без явлений перепада) защитный элемент не должен ухудшать функционирование защищаемой цепи.

Эффективность использования того или иного защитного элемента определяется путем испытаний на производстве. Существует три модели испытаний воздействия статического разряда на устройство:

  • Модель заряженного устройства (charged-device-mode – CDM). При использовании данной модели при тестировании работоспособности устройства имитируется ситуация, которая наиболее часто возникает в автоматизированном оборудовании, где во включенных долгое время машинах на микросхемах могут накапливаются заряды.
  • Машинная модель (machine-model – MM). Данная модель тестирования существует с 1990-х годов и сегодня распространена значительно меньше, чем модель человеческого тела. В связи с ростом производства продукции в 1990-х начали приобретать все большую популярность автоматизированные промышленные комплексы.
  • Модель человеческого тела (human-body-model – HBM). Данный метод испытаний получил наиболее широкое распространение. Метод применяется для оценки восприимчивости к ЭСР того или иного электронного компонента. Тест воспроизводит электрический разряд между человеком и электронным компонентом, который может произойти при прикосновении к устройству, если человек накопил остаточный заряд. Отказы микросхем при таком тестировании проявляются в пробое переходов, проникновении металла, расплавлении металлических слоев, разрыве проводников и повреждении оксидных слоев.

Приведенные выше модели тестирования (HBM, ММ и CDM) являются наиболее распространенными процедурами проверки электронных компонентов на уровне устройства. В таблице 1 отражены их сходства и различия.

Таблица 1. Сравнение тестов HBM, MM и CDM

Модель HBM ММ CDM
Уровни напряжения 2, 4, 8 и 15 кВ 100, 150 и 200 В 250, 500, 750 и 1000 В
Амплитуда тока, А 1,5 ±3 5…6
Ширина импульса, нс Примерно 150 Примерно 80 Примерно 1
Время нарастания 2…10 нс Примерно 1 нс Менее 400 пс
Характерные
повреждения
Пробой p-n переходов, проникновение металла,
расплавление металлических
проводников,
прокол проводников
и повреждение подзатворного
диэлектрика
Пробой p-n переходов,
расплавление металлических
проводников
и проколы подзатворного
диэлектрика
Проколы подзатворного
диэлектрика,
захват заряда
и пробой p-n переходов

В свою очередь эффективность того или иного защитного компонента определяется соответствующим стандартом. На сегодняшний день основополагающим стандартом является ГОСТ 30804.4.2-2013 (Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний), который соответствует европейскому стандарту EC-61000-4-2.

Данный стандарт распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия и устанавливает требования и методы испытаний технических средств на устойчивость к электростатическим разрядам как при прямом их воздействии от оператора, так и непрямом воздействии от оператора (через предметы и оборудование, расположенные вблизи изделия). Стандарт устанавливает степени жесткости испытаний, учитывающие различные условия окружающей среды и эксплуатации ТС, а также устанавливает процедуры испытаний.  Степени жесткости испытаний, описанные в приведенном стандарте, показаны в таблице 2.

Таблица 2. Степени жесткости испытаний согласно ГОСТ 30804.4.2

Контактный разряд Воздушный разряд
Степень жесткости Испытательное
напряжение, кВ
Степень жесткости Испытательное
напряжение, кВ
1 2 1 2
2 4 2 4
3 6 3 8
4 8 4 15

В общем случае защитные элементы, применяемые в устройствах, использующих высокоскоростные интерфейсы, должны обладать высокой скоростью срабатывания, низким порогом ограничения напряжения и, в случае портативных или ручных устройств, должны занимать минимальный объем. Как правило, чем ближе находится элемент, гасящий броски напряжения, к устройству, которое он защищает, тем лучше его ограничивающие характеристики.

На сегодняшний день методы борьбы с ЭСР все чаще основываются на применении TVS-диодов, поскольку это наиболее бюджетная технология в данной сфере. TVS-диоды имеют продолжительную и подтвержденную историю успешного гашения скачков напряжения на уровне персонального компьютера. Более того, их характеристики не ухудшаются, так как они работают в пределах спецификации, определенной изготовителем устройства.

Однако у стандартной технологии TVS-диодов есть существенный недостаток: при напряжении ниже 5 В она становится непрактичной. Традиционно TVS-диоды представляют собой кремниевые плоскостные диоды с большой областью перехода, что позволяет им справляться с высокими скачками напряжения. При низком напряжении емкостное сопротивление их перехода растет экспоненциально, а рабочее напряжение снижается. Емкостной характер, который принимает нагрузка TVS-диода в высокоскоростном приложении или при использовании длинной линии, приводит к значительному ухудшению или отражению сигнала. Стоит также отметить, что использование высококонцентрированных присадок может значительно снизить нейтральное напряжение, но при этом возрастут возвратный ток утечки и переходная емкость.

Примером влияния емкости на качество сигнала является использование защитных диодов для подавления электростатических разрядов на USB 2.0 (рисунки 1…4).

Рис. 1. Сигнал без использования защитного диода

Рис. 1. Сигнал без использования защитного диода

Рис. 2. Использование TVS-диода ESD9L с емкостью 0,5 пФ

Рис. 2. Использование TVS-диода ESD9L с емкостью 0,5 пФ

Как видим, при включении дополнительного защитного диода ESD9L с емкостью 0,5 пф сигнал практически не изменился, однако картина будет иной, если мы применим защитный диод с большей емкостью. Возьмем диод ESD9C5.0ST5G с емкостью 6 пФ.

Рис. 3. Использование TVS-диода ESD9C5.0ST5G с емкостью 6 пФ

Рис. 3. Использование TVS-диода ESD9C5.0ST5G с емкостью 6 пФ

На диаграмме видно значительное ухудшение по сравнению с предыдущим тестом, особенно это сказывается на времени роста и падения сигнала. В качестве финального теста используем диод ESD9X5.0ST5G с емкостью 65 пФ (рисунок 4).

Рис. 4. Использование TVS-диода ESD9X5.0ST5G с емкостью 65 пФ

Рис. 4. Использование TVS-диода ESD9X5.0ST5G с емкостью 65 пФ

Диаграмма на рисунке 4 показывает значительное ухудшение времени подъема и падения сигнала. Как упоминалось ранее, использование защитных TVS-диодов с высокой емкостью вносит значительные искажения и ухудшает исходный сигнал.

Проблема ЭСР при использовании RF-входа

Угроза электростатического разряда является довольно существенным фактором при использовании внешних интерфейсов или антенн, которые могут быть подвержены воздействию персонала или внешнего оборудования.  Как следствие, устройства, использующие эти интерфейсы, должны быть должным образом защищены от ЭСР, чтобы избежать необратимого повреждения.

Как правило, при проектировании того или иного решения стараются сделать так, чтобы защитный элемент располагался максимально близко к защищаемому устройству (это делается, в первую очередь, для минимизации потерь в линии передачи). По этой причине некоторые устройства, такие как малошумящие усилители серий RF-LNAs и RF-MMICs, построенные на основе новых front-end технологий, уже имеют встроенные элементы защиты от ЭСР.  К сожалению, такие методы предохранения всегда являются компромиссом между хорошим уровнем защиты от электростатического разряда и ухудшением качества сигнала. Кроме того, интегрированный в чип защитный элемент вряд ли когда-либо будет способен обеспечить защиту от перепада напряжения свыше ±2 кВ, как определено моделью человеческого тела (HBM), описанной ранее.

Предохранение от ЭСР на величину ±1 кВ согласно HBM является достаточным для защиты устройства от разрядов на производстве, где приняты соответствующие меры от электростатики. Однако внешние интерфейсы, такие как USB, карты памяти, Ethernet и другие, подверженные внешнему воздействию, всегда требуют более высоких уровней защиты, хотя бы защиты от контактного разряда ±8 кВ согласно ГОСТу 30804.4.2 и стандарту IEC 61000-4-2.

Для того, чтобы обеспечить защиту от прикосновения ±8 кВ на подверженной воздействию антенне, необходим дополнительный фильтр между прибором предохранения от ЭСР и малошумящим усилителем. Цель этого фильтра – уменьшить энергию импульса ЭСР путем гашения максимально возможного количества энергии.

При выборе дополнительного устройства защиты стоит учитывать, что большинство устройств в системе не будут подвержены воздействию электростатических разрядов, поскольку они либо окружены изоляционными материалами, либо существуют внешние цепи, поглощающие импульсы ЭСР. Только тогда, когда контакты устройства имеют внешние выводы (например, малошумящий усилитель, который подключен к открытой антенне), электростатический разряд будет способен оказать влияние на устройство.

Базовые технологии защиты

Наиболее распространенным методом защиты от ЭСР является применение дополнительных защитных диодов.

Различают четыре основных способа включения таких диодов в принципиальную схему устройства:

PIN-диоды, оптимизированные на быстрое время переключения:

  • Антипараллельная конфигурация
  • Конфигурация Rail-to-rail

Стабилитроны, оптимизированные для высоких токов:

  • Однонаправленная конфигурация
  • Двунаправленная конфигурация

Выбор конфигурации зависит от уровня напряжения и уровня постоянного тока на сигнальной линии, а также пикового напряжения сигнала.

Поскольку кремниевые диоды начинают пропускать сигнал при приложенном напряжении в 0,5 В (при токе 0,1 мА и температуре окружающей среды в 25°C), антипараллельная конфигурация, показанная на рисунке 5, подходит преимущественно для линий постоянного тока с низким уровнем сигнала. Такая конфигурация может быть использована, например, при защите GPS-приемника, системы бесключевого доступа (RKE), эфирных приемников, таких как спутниковое радио, DVB, DAB, DMB и так далее. Антипараллельная конфигурация также обеспечивает самое низкое максимальное импульсное напряжение ограничения из всех вышеуказанных конфигураций, это обусловлено тем, что любой из двух диодов работает в прямом направлении в случае возникновения ЭСР. Данная особенность делает эту конфигурацию наиболее предпочтительной, когда дело касается защиты антенного входа. PIN-диоды обладают очень низкими емкостями, меньше 1пф, но не могут эксплуатироваться в обратном направлении как стабилитроны.

Рис. 5. Антипараллельная конфигурация

Рис. 5. Антипараллельная конфигурация

Для RF-сигналов или цифровых высокоскоростных линий передачи данных с уровнем постоянного напряжения от 0 В до напряжения питания (VСС) на защищаемой линии (порт USB 2.0, разъем HDMI и т.д.) имеет место применение Rail-to-rail конфигурации, как показано на рисунке 6. Однако эта конфигурация требует наличия дополнительного диода, соединенного с землей. Ввиду того, что линия электропитания (VCC) также должна быть оснащена защитным диодом для предотвращения воздействия ЭСР, наличие дополнительного диода, предусмотренного конфигурацией, не является недостатком.

Рис. 6. Rail-to-rail конфигурация

Рис. 6. Конфигурация Rail-to-rail

На рисунке 7 показана двунаправленная конфигурация, представляющая собой два соединенных последовательно катодами диода. Такую конфигурацию возможно использовать при любом уровне напряжения между -VRWM и +VRWM (максимальное обратное рабочее напряжение диода). Ввиду того, что оба диода соединены последовательно, линейная емкость защитного диода в двунаправленной конфигурации составляет половину емкости любого диода (при условии, что диоды обладают одинаковыми емкостями, что на практике далеко не всегда является истиной). Это предпочитаемая конфигурация для решений, использующих двухполярные сигналы (CAN, AF, сигнальные линии и т.д.). Максимальное импульсное напряжение ограничения защитного диода в двунаправленной конфигурации имеет более высокие значения, чем аналогичная величина в антипараллельной конфигурации.

Рис. 7. Двунаправленная конфигурация

Рис. 7. Двунаправленная конфигурация

На рисунке 8 показано включение защитного диода в однонаправленной конфигурации. Эта конфигурация применима на уровнях напряжения от 0 В до + VRWM и имеет самую высокую емкость из всех приведенных выше. Однако в однонаправленной конфигурации максимальное импульсное напряжение ограничения ниже, чем в двунаправленной конфигурации, поэтому такие диоды наиболее распространены при защите линий электропитания и оптимизированы для работы с очень большими токами, а не с низкими емкостями.

Рис. 8. Однонаправленная конфигурация

Рис. 8. Однонаправленная конфигурация

Как видим, для каждой определенной ситуации схема включения защитного диода должна учитывать те или иные необходимые параметры, чтобы удовлетворить требованиям разрабатываемого решения.

Пример реализации защиты антенного входа от компании Texas Instruments

Устройства с беспроводными интерфейсами GPS, WLAN, Wi-Fi и т. д. требуют обязательной защиты от статического электричества, так как их антенна, как правило, выходит за пределы корпуса. Частота сигнала в подобных решениях может достигать единиц гигагерц, поэтому для достижения максимального качества сигнала любую емкость на пути его следования необходимо свести к минимуму. Пиковое напряжение полезных радиочастотных сигналов обычно не превышает сотен милливольт.

Возможные решения, применяемые для защиты от ЭСР на частотах до 15 ГГц и соответствующие ГОСТу 30804.4.2 и стандарту IEC 61000-4-2, приведены в таблице 3. Приведенные в таблице компоненты имеют типоразмеры 0201 (0,6×0,3 мм), 0402 (1,0×0,6 мм) и DFN (2,5×1,0 мм). Каждый из приведенных элементов также поддерживает скачки напряжения до ±3,6 В, что позволяет применять их для защиты антенных входов.

Таблица 3. Решения Texas Instruments для защиты антенного входа

Решение Рабочее напряжение, В Защита от ЭСР, кВ (Контактный разряд/Воздушный разряд) Емкость, пФ Каналы Размер, мм Типоразмер
TPD1E0B04DPY ±3,6 8/9 0,13 1 1,0×0,6 0402
TPD1E0B04DPL ±3,6 8/9 0,13 1 0,6×0,3 0201
TPD1E01B04DPY ±3,6 15/17 0,18 1 1,0×0,6 0402
TPD1E01B04DPL ±3,6 15/17 0,18 1 0,6×0,3 0201

Схема включения защитного диода в данном случае соответствует двунаправленной конфигурациии и показана на рисунке 9.

Рис. 9. Включение защитного диода Texas Instruments для защиты антенного входа

Рис. 9. Включение защитного диода Texas Instruments для защиты антенного входа

Одним из реальных примеров использования описанного выше решения, является применение диода TPD1E0B04DPY на отладочной плате LAUNCHXL-CC1352P1. Данная плата плата работает на частотах 2.4 GHz и Sub-1 GHz  и является примером устройства передачи данных интернета вещей.

Сам по себе TPD1E0B04DPY предназначен для защиты высокоскоростных линий передачи данных типа HDMI 2.0 и USB 3.1 Gen II Super-speed  и представляет собой двунаправленный TVS-диод. TPD1E0B04DPY рассчитан на защиту от ЭСР на максимальном уровне, указанном в международном стандарте IEC 61000-4-2 (уровень 4), что составляет ±8 кВ.

Этот TVS-диод обладает емкостью в 0,13 пФ, что делает его идеальным решением и для защиты радиочастотных цепей. Диоды доступны в корпусах 0201 и 0402.

Включение TPD1E0B04DPY в антенный тракт LAUNCHXL-CC1352P1 можно найти на принципиальной схеме отладочной платы (рисунок 10).

Рис. 10. Включение TPD1E0B04DPY в антенный тракт LAUNCHXLCC1352P1

Рис. 10. Включение TPD1E0B04DPY в антенный тракт LAUNCHXLCC1352P1

На основе диода TPD1E0B04DPY компания Texas Instruments выпускает оценочный модуль TPD1E0B04DPYEVM (evaluation module) для подключения к радиочастотному тракту через SMA-разъемы. Внешний вид модуля показан на рисунке 11.

Рис. 11. Внешний вид модуля TPD1E0B04DPY EVM

Рис. 11. Внешний вид модуля TPD1E0B04DPY EVM

Если одного канала для защитного элемента недостаточно, доступны решения с двумя каналами (ESD122) и четырьмя каналами (TPD4E02B04-Q1 и TPD4E02B04), однако они обладают более высокой емкостью по сравнению с  TPD1E0B04DPY (0,2 и 0,25 пФ, соответственно).

Пример реализации защиты антенного входа от компании Infineon

Примером защиты антенного входа для модулей GPS/GLONASS-приемника

может служить серия защитных диодов компании Infineon ESD108-B1-CSP0201, перечень которых приведен в таблице 4.

Таблица 4. Решения Infineon для защиты антенного входа

Решение Рабочее напряжение, В Защита от ЭСР, кВ Емкость, пФ Каналы Размер, мм Типоразмер
ESD108-B1-CSP0201 ±5,5 ±25 0,28 1 0,6×0,3 0201
ESD105-B1-02EL/ELS ±5,5 ±25 0,25 1 1,0×0,6 0402
ESD112-B1-02EL ±5,3 ±20 0,23 1 1,0×0,6 0402

Подключение диода, так же как и в случае с Texas Instruments, осуществляется по антипараллельной конфигурации.

Ниже приведен пример использования защитного диода ESD0P8RFL от Infineon. Пример относится к устройствам, использующим GPS, и заключается в использовании модуля, включающего в себя малошумящий усилитель BGA615L7 Infineon и защитный диод (рисунок 12).

Рис. 12. Внешний вид модуля Infineon с BGA615L7 и ESD0P8RFL

Рис. 12. Внешний вид модуля Infineon с BGA615L7 и ESD0P8RFL

BGA615L7 представляет собой малошумящий GPS-усилитель с уровнем шума 0,9 дБ.  В документации к BGA615L7 указывается, что гарантированная защита от ЭСР составляет ±1 кВ согласно HBM. Однако в реальных условиях, в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2, защита должна достигать хотя бы ±8 кВ (уровня 4), из-за чего возникает необходимость включения дополнительного защитного диода.

Как уже упоминалось ранее в данной статье, мы должны минимизировать влияние емкости защитного диода. В данном случае это сделано посредством параллельного подключения к диоду дополнительной индуктивности, которая может быть рассчитана по формуле:

$$L=\frac{1}{(2\pi \cdot f)^2\cdot C},$$

где C – емкость диода, а f – рабочая частота.

При C = 0,8 пФ и f = 1575,42 МГц (частота, используемая гражданским GPS), индуктивность рассчитывается как L = 12,8 нГн.

На рисунке 13 показана схема включения BGA615L7, взятая из технической документации. Как видно из схемы, параллельно защитному диоду ESD0P8RFL включена индуктивность в 12 нГн, благодаря которой показатель шума в данном случае имеет незначительную величину.

Рис. 13. Схема включения BGA615L7

Рис. 13. Схема включения BGA615L7

Для подтверждения степени защиты компанией Infineon был проведен ряд испытаний, в  которых  величина ЭСР постепенно увеличивалось с -1 кВ до -30 кВ (или до повреждения испытываемого прибора).

Результат показан на рисунке 14. Из рисунка видно, что BGA615L7 выдержал импульсы ЭСР величиной в -30 кВ.

Рис. 14. Результаты испытаний BGA615L7

Рис. 14. Результаты испытаний BGA615L7

Таким образом, защитный диод ESD0P8RFL способен обезопасить BGA615L7 от импульсов ЭСР величиной до ±30 кВ. Если учесть, что при производстве запас прочности составляет 30%, допустимо утверждение, что представленный модуль ESD0P8RFL имеет эффективную защиту от ЭСР величиной ±20 кВ и легко удовлетворяет уровню 4 в соответствии с ГОСТом 30804.4.2 и стандартом IEC 61000-4-2.

Помимо приведенного ESD0P8RFL, компания Infineon предлагает своим клиентам защитные диоды, способные удовлетворить необходимым требованиям как по величине ЭСР, так и по емкости. К таким диодам можно отнести ESD102-U1-02ELS, направленный на применение в решениях, использующих высокоскоростные интерфейсы Firewire, Ethernet 10/100/1000, USB 3.0, DVI, HDMI, S-ATA, или диоды ESD101-B1/ESD103-B1, применяющиеся преимущественно в интерфейсах WLAN, GPS, DVB T/H, Bluetooth.

Защитные элементы от компании Littelfuse

Еще одной компанией, производящей элементы, защищающие от воздействия электростатического импульса, является Littelfuse. Данная компания более восьмидесяти лет занимается исследованием проблемы воздействия ЭСР и разработала свои собственные решения, позволяющие обезопасить устройства.

Littelfuse предлагает три семейства устройств, используемых для подавления ЭСР:

  • Керамические многослойные варисторы MLV (Multilayer Varistors);
  • SPA (Silicon Protection Arrays) – кремниевые диодные сборки серий SP72x и SP050x;
  • Супрессоры на основе полимеров PulseGuard.

Многослойные варисторы MLV (Multilayer Varistors) состоят из чередующихся слоев металлических электродов и керамики или оксида цинка (рисунок 15).

Рис. 15. Конструкция MLV

Рис. 15. Конструкция MLV

В обычных условиях керамика, созданная из оксида цинка, является изолятором, однако когда напряжение повышается (например, в случае воздействия ЭСР), выводы оксида цинка переходят от высоких к низким значениям сопротивления и этим шунтируют защищаемую линию на землю.

Многослойные варисторы по своей сути являются лучшей защитой от ЭСР и могут быть использованы для предохранения линии с рабочими напряжениями от 3,5 до 120 В постоянного тока или от 2,5 до 107 В переменного. Они также могут быть применены для обеспечения защиты от поражения быстрыми электрическими переходными процессами (Electrical Fast Transients). Кроме того, собственная емкость многослойных варисторов (65…4500 пФ) может обеспечить фильтрацию от высокочастотных помех.

Новое семейство решений MLV серии MHS имеет значения емкостей 3, 12 и 22 пФ, а значит, может быть использовано в цепях с большой скоростью передачи данных (примерно до 125 Мбит), в том числе и для защиты антенного входа.

Диодные сборки семейства SP72x представляют собой несколько ячеек диодов (на рисунке 16 такая ячейка выделена синим цветом), которые соединяются с уровнями V+ или V- и выполняют функции переключателей. При подаче на вывод 1 положительного напряжения, превышающего 0,7 В, оно закорачивается на V+, контакт 5, при подаче отрицательного напряжения ниже 0,7 В – на цепь V-, контакт 2. Таким образом происходит шунтирование защищаемых линий (контакты 1, 3, 4, и 6 на рисунке 16) на V+ или V-.

Рис. 16. Схема SP72x

Рис. 16. Схема SP72x

Сборки SP72x являются надежным решением, которое способно обезопасить линии связи от ЭСР, быстрых переходных процессов (EFT, от английского Electric Fast Transients), а также от перенапряжения в цепи. Такие сборки обладают достаточно низкой емкостью (от 3 до 5 пФ) и могут быть применены для защиты высокоскоростных линий связи (со скоростью передачи сигнала до примерно 125 Мбит/с).

Сборки семейства SP050x являются совокупностью нескольких TVS-диодов (на рисунке 17 один из них выделен синим цветом), которые шунтируют цепь к общему проводу V-. Проще говоря, диоды функционируют как переключатели: когда в цепи 1 уровень сигнала превышает напряжение пробоя диода, сигнал шунтируется на V-.

Рис. 17. Диодная сборка SP05x

Рис. 17. Диодная сборка SP05x

Диодные сборки SP050x доступны пользователям в различных видах корпусов с большим количеством защищаемых каналов. Существуют варианты сборок в корпусах SOT-23, SOT-143, TSSOP, MSOP и в миниатюрных CSP. Большое количество каналов (от 1 до 18) с емкостями от 3 до 39 пФ позволяют эффективно защищать линии, которые работают с сигналами на средних и высоких скоростях (примерно от 100 кбит/с до 125 Мбит/с).

Супрессоры PulseGuard производятся путем создания разрывной области в электроде, что в свою очередь приводит к отсутствию тока в цепи (рисунок 18). В промежутке применяется специальный материал VVM (Voltage Variable Material), созданный на основе полимеров, который по параметрам близок к рассмотренной выше MLV-керамике из оксида цинка. В нормальных условиях VVM работает как изолятор, но при возникновении электростатического разряда, материал VVM становится проводником и шунтирует ЭСР на общий провод.

Рис. 18. Структура супрессора PulseGuard

Рис. 18. Структура супрессора PulseGuard

PulseGuard-супрессоры могут быть применены только для ЭСР-защиты, что отличает их от MLV и SPА. Полимерный материал не может выдержать воздействия мощных сигналов быстрых переходных процессов. С другой стороны, супрессоры PulseGuard обладают достаточно низкой емкостью (0,05 пФ) и могут быть применены для защиты линий связи, которые работают на скорости до 3…5 Гбит/с.

Сравнение всех трех технологий Littelfuse приведено в таблице 5.

Таблица 5. Сравнение технологий Littelfuse

Технология Скорость передачи данных Пиковое
значение
Уровень защиты от ЭСР Сборки Применение Преимущества
MLV До 125 Мбит/с Хорошее Хороший 1206 Аудио и аналоговые выходы, USB 1.1, RS-232 Самая малая стоимость, широкий спектр применения
SPA От 0 до 5 Гбит/с Отличное Отличный SOT23, SC70, SOT553, SOT563, SOT953, MSOP 8, MSOP 10, μDFN USB1.1, USB2.0, аудио и аналоговые выходы, FireWire 1394, HDMI, Ethernet, Интерфейс MMC, ЖК-модули Самые низкие пиковое и фиксирующее напряжения
PulseGuard От 100 Mбит/с до 5 Гбит/с Хорошее Хороший SOT23 USB 2.0, FireWire 1394, HDMI, RF антенны Самая низкая емкость

Компания Littelfuse предлагает пользователю множество компонентов защиты от ЭСР в зависимости от области применения. На рисунке 19 показана взаимосвязь между скоростью передачи данных, областью применения и применяемым продуктом Littelfuse ESD.

Рис. 19. Диаграмма применения компонентов Littelfuse

Рис. 19. Диаграмма применения компонентов Littelfuse

К компонентам компании Littelfuse, которые применимы для защиты антенного входа, можно отнести приведенные в таблице 6.

Таблица 6. Рекомендуемые защитные компоненты от компании Littelfuse

Наименование Уровень ESD-защиты, кВ Фиксирующее напряжение, В Рабочее напряжение, В DC Емкость, пФ Количество каналов Корпус
PGB1010402 8 250 0…12 0,04 1 0402
PGB2010402 8 40 0…12 0,07 1 0402
PGB1010603 8 150 0…24 0,06 1 0603
PGB102ST23 8 150 0…24 0,12 2 SOT23
SP3001-04JTG 8 10,6 (2 A) 6 0,8 4 SC70-6
SP3003-04XTG 8 11,8 (2 A) 6 0,8 4 SOT563
SP3003-04JTG 8 11,8 (2 A) 6 0,8 4 SC70-6
SP3003-02XTG 8 11,8 (2 A) 6 0,8 6 SOT553
SP3003-02JTG 8 11,8 (2 A) 6 0,8 6 SC70-5

Также следует обратить внимание, что некоторые устройства способны использовать несколько различных протоколов передачи данных и, соответственно, в качестве защиты от ЭСР могут быть использованы различные решения компании Littelfuse. Например, портативный компьютер может иметь как RS-232 и USB 2.0, так и Ethernet-порты, видео-порты, PS2 и т.д. В RS-232 и PS2 используются сравнительно небольшие скорости передачи данных, поэтому там можно применять любой защищающий от ЭСР элемент компании Littelfuse (хотя в данном случае предпочтительнее высокоемкостные MLV и SPA). На супрессор для видео-порта уже накладываются требования по поддержке большой скорости передачи данных – здесь лучше подойдут PulseGuard или SPA.

Решения от компании Bourns

Еще одной компанией, представляющей на рынке элементы защиты от ЭСР, является Bourns. Она предлагает широкую линейку TVS-диодов, – от классических до сверхмощных, – включая диоды и сборки в миниатюрных корпусах, адаптированные под высокоскоростные цифровые линии связи. Помимо защитных TVS-диодов компания Bourns, так же, как и Littelfuse, предлагает супрессоры для защиты от ЭСР.  К рекомендуемым элементам защиты можно отнести показанные в таблице 7:

Таблица 7. Рекомендуемые защитные компоненты Bourns

Наименование Рабочее напряжение, В DC Емкость, пФ Уровень ESD-защиты, кВ Размеры, мм
CDDDFN10-3324P 3,3 0,45 12 2,5×1,0
CDDFN10-0524P 5 0,5 10 2,5×1,0
CDSOT236-0504LC 5 0,65 12 2,95×2,8
CDSOD323-T05L 5 1 30 2,6×1,3
CG0402MLU-05G 5 0,05 8 1,0×0,5
CG0603MLU-05E 5 0,05 8 1,6×0,8

На основе своих технологий компания Bourns создала комплексное решение защиты антенного порта, предохраняющее от электростатики (до 6 кВ), наносекундных и микросекундных помех, а также скачков тока в цепи.

Решение включает в себя три основных компонента:

  • Газоразрядная трубка 2031-15T-SM. Газоразрядные трубки обеспечивают весьма быстрое предохранение от перегрузок по току и защиту от перенапряжения электрических переходных процессов.
  • Устройство высокоскоростной защиты TBU-CA050-500-WH. Данное устройство является базовым элементом защиты от бросков тока и напряжения, вызванных электростатическими разрядами. Устройство отличается высоким быстродействием, автономностью, прецизионностью характеристик, а также широкой полосой пропускания.
  • Защитный диод CDSOD323-T05LC. TVS-диод с емкостью в 1 пФ и защитой от ЭСР до 30 кВ.

Все эти компоненты объединены по схеме, отображенной на рисунке 20, в устройство защиты антенного порта.

Рис. 20. Комплексное решение защиты антенного порта от Bourns

Рис. 20. Комплексное решение защиты антенного порта от Bourns

Рекомендации по трассировке печатных плат

При проектировании устройства, в котором предусмотрена защита от ЭСР, стоит обратить внимание на технологию трассировки печатной платы – это связано с тем, что напряжение в цепи растет через индуктивную нагрузку пропорционально времени/степени текущих изменений (\(V=\frac{Ldi}{dt}\)).  К примеру, бросок напряжения, вызванный ЭСР, достигает своего пика примерно через одну наносекунду, соответственно, для тридцатиамперного импульса 1 нГн последовательной индуктивности увеличивает эффективность фиксации напряжения до 30 В (\(V=\frac{1\cdot 10^{-9}\times 30}{1\cdot 10^{-9}}\)).

Общее фиксированное напряжение, наблюдаемое в результате защищаемой нагрузки, будет суммой фиксированного напряжения TVS и напряжения, возникшего вследствие паразитных индуктивных токов. Очень важно то, что паразитные индуктивные токи в защищаемом участке могут вызвать значительные скачки напряжения, снижающие эффективность гашения в цепи. Иными словами, при трассировке таких печатных плат стоит избегать любой индуктивности.

Также при включении в цепь защитных диодов не следует использовать тонкие дорожки для их подключения к земле, а необходимо использовать большие площадки и места переходов, как, например, показано на рисунке 21.

Рис. 21. Пример включения защитного диода в цепь

Рис. 21. Пример включения защитного диода в цепь

Для достижения максимальной эффективности в защите от ЭСР рекомендуется соблюдать следующие инструкции по трассировке плат:

  • Минимизировать длину пути между защитными элементами и защищаемой линией;
  • Разместить защитные элементы как можно ближе к коннектору для того, чтобы ограничить переход бросков напряжения на близлежащие дорожки;
  • Минимизировать длину пути (индуктивность) между коннектором и защитными элементами.

В будущем устройствам защиты от перенапряжения потребуется более высокий уровень интеграции, более низкая емкостная нагрузка, меньшие размеры. Комбинирование множества технологий в одном комплекте, наряду с улучшением рабочих характеристик, даст ключ к дальнейшим инновациям.

Заключение

Правильно подобранное устройство защиты от электростатического разряда и прочих перенапряжений дает выигрыш не только в надежности разрабатываемого устройства, но и в последующей экономии средств на гарантийном обслуживании. Ведущие компании-производители электронных компонентов уже давно озаботились данной проблемой и предлагают пользователям множество решений защиты, подходящих под любые области применения, в частности – для защиты RF-портов. При выборе защитного компонента стоит обращать пристальное внимание на его емкость, максимальное импульсное напряжение ограничения, уровень защиты от ЭСР, а также его типоразмер и возможное расположение на печатной плате.

Литература

  1. Application Note No. 103 ESD and Antenna Protection using Infineon ESD0P8RFL. Infineon;
  2. System-Level ESD Protection Guide. Texas Instrument;
  3. TECH BRIEF. ESD Suppression Technologies. Littelfuse;
  4. Bourns ESD Protection. Short Form Brochure;
  5. В.Колосов, В.Мухтарулин. Устранение недопустимых воздействий на электронную аппаратуру из сетей электропитания.

Наши информационные каналы