Компоненти за ESD/EMI защита на електронни схеми

Стефан Куцаров

Защитите от електрически смущения съществуват още от зората на електрониката. Тяхното много по-голямо значение днес се дължи от една страна на нарасналия брой източници на смущения и по-широкия им честотен спектър и от друга - на множеството съвременни устройства, работещи с много слаби сигнали.

Резултатът е все по-голям относителен дял на електронните схеми със задължителна защита и съответно увеличаването на разнообразието и подобряване на параметрите на осигуряващите я компоненти.

Първият тип защита е срещу електростатични разряди (Electrostatic Discharge) ESD, възникващи между заредено със статично електричество изолирано тяло и земята. Напрежението на тялото, предизвикващо разряда, е от порядъка на kV, например до 35 kV на ходещ върху килим човек при относителна влажност на въздуха 10% и до 7 kV на изводите на интегрална схема (ИС) при махане на порестата изолация в кутията й и относителна влажност 55%. Очевидната опасност от ESD е повреда на електронния прибор.

Когато индуцираното от околни електромагнитни полета напрежение между две точки на електронна схема се смесва със съществуващото, възниква електромагнитна интерференция (Electromagnetic Interference) EMI.

Обикновено тя пречи на работата, без да предизвиква повреда. Когато смущението е в радиочестотния спектър понякога се използва терминът радиочестотна интерференция (Radiofrequency Interference, RFI) – в него смущенията обикновено са с по-висока честота, без да има утвърдена ясна граница между двата термина. Много производители определят EMI до десетина GHz.

Стандарти 
Оценката на устойчивостта срещу ESD (Electrostatic Discharge Immunity, ESD Immunity) се прави в съответствие с IEC61000-4-2 и вариант за Европа EN61000-4-4. Чрез генератор с определена в стандарта структура през 1s се генерира серия от 10 импулса с една полярност и втора с обратна полярност, което предизвиква разряден ток без последици през изследвания обект.

Времедиаграмата им е на фиг. 1а, като амплитудата й е в зависимост от класа на защита, даден в първата колона на таблицата на фиг. 1б. Оценява се влиянието на ESD без допир до обекта (Air Discharge) и с допир (Contact Discharge), като амплитудата на прилаганото напрежение за всеки от класовете е в колони 2 и 3, означена на фиг. 1а със 100%. Максималната стойност на предизвикания от нея ток е в колона 4, а в следващите две са тези 30 ns и 60 ns след началото на импулса.

Производителите на устройства определят точките за прилагане на тестовото напрежение.
За оценка на устойчивостта към бързи преходни процеси (Electrical Fast Transient Immunity, EFT Immunity, Burst Immunity), особено важна при изключване на индуктивни товари и контактите на релета, е IEC61000-4-4.

Чрез стандарта за издръжливост към импулсни смущения (Surge Immunity) IEC61000-4-5 се оценява влиянието на промяната на тока на мощни товари вкл. на тяхно късо съединение и това поради мощни електрически искри, породени от докосване до устройството на силова или комуникационна линия или наличие на светкавици.

За влиянието по електромагнитен път на електрически сигнали с честотен обхват 9 kHz – 80 MHz е предвиден стандартът IEC61000-4-6.

Защити от ESD
Независимо от различния произход на ESD и импулсните смущения често методите и категориите компоненти за борба срещу тях се разглеждат едновременно, което се вижда от табл. 1. Това налага внимание при избора на компоненти за ESD, тъй като обикновено тези за защита от импулсни смущения (Surge Protection) нямат достатъчно бързодействие и не могат да потиснат успешно ESD.

TVS диоди (Transient Voltage Suppressor Diode, TVS Diode). В зависимост от полярността на ограничаваните напрежения съществуват еднопосочни (Uni-directional) и двупосочни (Bi-directional) TVS диоди, като волтамперната характеристика на последните е на фиг. 2а, а тази в I квадрант на еднопосочните е както на обикновен диод в права посока.

Диодът е запушен до максималното работно напрежение (Maximum Working Voltage, Stand-off voltage) VWM или VDC, при което протичащият ток е до около 1 nA. Отпушването настъпва при VBR (Breakdown Voltage) с протичане на ток от порядъка на 1 mA.

Напрежението на ограничаване (Clamping Voltage) VC е от единичен импулс, при него протича максималният импулсен ток (Maximum Pulse Current) IPP с преден и заден фронт съответно 8 и 20 микросекунди и се отделя максималната импулсна мощност (Peak Power Dissipation) PPP или Ppk.

В раздела Maximum Rating на каталозите към тези основни параметри се прибавят максимално допустимите напрежения поради ESD без и с допир (съответно VESD Air и VESD contact) и още няколко в зависимост от производителя.

Първото е в съответствие с модела на човешкото тяло (Human Body Model) HBM и се получава при разреждане на кондензатор 100 pF свързван към обекта през 1,5 kW. При по-рядко използвания машинен модел (Machine Model) MM напрежението е значително по-малко, тъй като се получава при разреждане на 200 pF, свързан към обекта през индуктивност 0,5 nH.

Действието на двупосочен диод се изяснява чрез фиг. 2б, а другите му символични означения са на фиг. 2в. Използват се и неговите реализации с два еднопосочни диода на фиг. 2г, от която се вижда едно от символичните им означения, а другите са на фиг. 2д.

Често срещан практически случай е защита на няколко възела на електронна схема, например част от изводите на ИС или на линиите на интерфейс, което определя голямото разнообразие на набори (обикновено означавани като TVS Diode Array) с два или повече TVS диода.

Съществуват модели с нееднакви VESD на различните си изводи, например по-малко на тези за защита на захранването в сравнение със защитата на входно-изходни изводи. Друга особеност е съществуването на серии TVS диоди, различаващи се по стойностите на VWM, VBR, VC и двете VESD.

Според паразитния капацитет на запушените диоди съществуват 3 разновидности – стандартни (Standard), в които той е няколко десетки pF, бързи (High Speed) с няколко pF и свръхбързи (Super Speed) с няколко десети от pF.

Очевидно по-малкият капацитет осигурява по-бързо отпушване на диода, т.е. по-бързо задействане на защитата. В многобройните приложения на TVS диодите за защита на ИС, свързани към компютърни и комуникационни мрежи е по-достоверно снемането на волтамперните характеристики (например на IPP от VC) не чрез плавно увеличаване на напрежението, а със серия от къси импулси (например 5ns) с нарастваща амплитуда, означавани като Transmitting Line Pulse (TLP).

В табл. 2. са примери на TVS диоди със структура, отбелязана в последната колона и дадена на фиг. 2в и фиг. 3. Диодът на ред 1 е основно за защита на силови мрежи ниско напрежение, а съотношението VBR>VC в диодите на ред 5 е заради поведението им като тиристори.

Голяма група приложения на TVS диодите е в стационарни и преносими уреди, към която се прибавя защитата на свързани с проводникови интерфейси (вкл. USB) прибори, с ползване главно на набори TVS диоди. Все повече производители предлагат набори за конкретен интерфейс, например Texas Instruments има TPD4EUUSB30 за USB 3.0, TPD12S015A за HDMI и TPD4S1394 за IEEE1394.

Друга група са защитите на входове, свързвани към клавиатури (например TPD8E003 на TI), ръчно задействани бутони и други подобни. Масови са приложенията в прибори за безжична връзка, както и в индустриални системи.

Полимерни ESD ограничители (Polymer ESD Suppressor). Паразитният капацитет на запушените TVS диоди неизбежно влошава определени параметри на предпазваните обекти, например ограничаване на скоростта на обмен на данни в мрежи. Успешен опит за намаляване на капацитета са полимерните ESD ограничители, в които той типично е между няколко десетки и няколко стотици fF, а останалите параметри са както на TVS диодите.

Наименованието на приборите се дължи на полимера между два метални електрода, като при напрежение с произволна полярност и над определена стойност между тях той бързо преминава в проводящо състояние и това определя действието както на двупосочен TVS диод и ползване на неговото символично означение. Примери са сериите Pulse-Guard ESD Suppressor, Xtreme-Guard ESD Suppressor и PESD на Littеlfuse.

Варистори (Varistor). Металоокисните варистори (Metal-Oxide Varistor) MOV носят наименованието си от ползването в структурата им на ZnO и класическото им приложение е за потискане на отскоци на напрежението (Surge Protection) с произволна полярност. За ESD се ползва разновидността многослойни варистори (Multilayer Varistor) MLV, чието наименование отразява структурата им - множество електроди, между които е разположена керамика с полупроводникови свойства.

Те са с по-малък паразитен капацитет в сравнение с MOV. Едно от ползваните символични означения на варисторите е вляво на фиг. 2в, друго е на фиг. 4а, пример за корпус с 4 варистора е даден на фиг. 4б, а на фиг. 4в е третото съществуващо означение. При варисторите не съществува многообразието на структури както при TVS диодите – дадените на фиг. 4а-в са практически единствените.

Основната част на параметрите е същата, както на TVS диодите, но поради само двупосочното им действие към тях понякога се прибавя променливото работно напрежение VWM(AC). Мощността РРР обикновено не се дава, но вместо нея в някои каталози е отделената енергия по време на импулса (Transient Energy Rating) ET.

Значителният паразитен капацитет на част от варисторите позволява използването им за намаляване на EMI и определя символичното означение на фиг. 4г. В табл. 3 са характерни примери за параметрите на масово използвани серии варистори, а дадените размери са на най-малкия в тях.

Интегрални схеми със защита от ESD. Представляват ИС с определени функции и прибавена ESD защита. Независимо от принципното им предимство за намаляване на обема на устройствата, те нямат широко разпространение поради малките размери на самостоятелните TVS диоди.

Типичен пример е МАХ9940 на Maxim Integrated, през която минава активният проводник за обмен на данни на интерфейсите 1-Wire и I2C и тя прекъсва връзката при импулс по линията над 28 V, като издържа ESD до ±4 kV. От набора ИС на Texas Instruments типични са два примера. Чрез TPD4S014 се осигурява предпазване на зарядни устройства с USB 2.0 от ESD до ±15 kV (със и без допир) по проводниците за данни D+ и D-.

Със същото действие за 4 от проводниците на USB Type C е TPD85300, която издържа ±6 kV и ±15 kV съответно със и без допир. Измервателният усилвател МСР6N16 на Microchip Technology е с вградена ESD защита от ±4 kV на всичките си входове и допълнителна срещу EMI на диференциалния вход, която осигурява затихване 111 dB на сигналите с честота 2,4 GHz.

Защити от EMI 
Действието на тези защити се оценява чрез електромагнитната съвместимост (Electromagnetic Compatibility) EMC на устройствата. Предизвикващите EMI сигнали се наричат EMI смущения (EMI Noise), като тези по проводници са два вида.

Синфазните смущения (Common Mode Noise) се разпространяват едновременно и в една посока по два проводника, докато диференциалните (Differential Mode Noise) са в една посока по активен проводник и в обратна през масата. Една от защитите от EMI е намаляване на проводниковите смущения чрез филтри, които са 4 основни разновидности.

Бобини (Choke, Coil, Filter Choke). Практически задължително изискване към ползваните в електрониката е да са с минимални размери, един от похватите за постигане на което е наличието на феритна сърцевина. Първият тип са единичните бобини (Ferrite Beat, Ferrite Beat Inductor) за диференциални смущения, които се поставят във веригата на активния проводник и импедансът им Z намалява преминаващите по него смущения.

Типичното им устройство е на фиг. 5а. В двата края има керамични пластинки с тънкослойни проводници (Inner Electrode) за двата извода (Outer Electrode) на бобината и подобни проводници в ролята на намотки на бобината върху феритните пластинки (Ferrite Sheet).

Означаването на бобините е класическо, но в каталозите обикновено се дава еквивалентната им схема (фиг. 5б), тъй като съпротивлението R не е неизменното постояннотоково, а нараства с честотата и при достатъчно висока се оказва, че Z на бобината зависи практически само от него поради по-малкото й от него индуктивно съпротивление Х.

Това се вижда от графиките на фиг. 5в, като означената бобина има постояннотоково съпротивление не по-голямо от 70 mW, максимален постоянен ток Imax=750 mA и работи при температура между -55 и +125°С. Съществена особеност на бобините е, че вместо индуктивността им като параметър се дава Z при определена честота.

Единичните бобини обикновено се предлагат в серии, като моделите в дадена са с различни R и Z. Пример е серията BLM на Murata с 260 модела, които имат Z при 100 MHz между 5 W и 2,7 kW и Imax от 50 mA до 6 А. В зависимост от предназначението съществуват бобини с общо предназначение, за обикновени и бързи комуникационни мрежи, за силови мрежи, за потискане на смущения от гигахерцовия обхват, за цифрови интерфейси, за автомобили.

Вторият тип са синфазните бобини (Common Mode Choke, Common Mode Coil, Common Mode Noise Filter), предназначени съответно за синфазни смущения и съдържащи две еднакви части със силна индуктивна връзка. Символичното означение е на фиг.6а. Могат да се използват и като единични чрез успоредното им свързване (1-2 и 3-4 на фиг. 6а).

Принципът на действието им е изяснен на фиг. 6б – токът поради смущенията (Common Mode Current), даден с плътни стрелки, протича в една посока през двете части и за него поведението е като на единична бобина с импеданс Z, докато този от полезния сигнал (Differential Mode Current) е с прекъснати стрелки и различна посока през двете части, обуславя през тях магнитни полета в противоположни посоки и за него бобината реално е късо съединение.

Примери за бобини с такава структура са сериите DLW и PLT10HH (за Imax=18A) на Murata. Структурата на миниатюрна бобина без ферит е на фиг. 6в, какъвто е моделът EXCX4CZ на Panasonic Industrial със Z=20 W при 100 MHz, Imax=100 mA и постояннотоково съпротивление 3 W. На фиг. 6г е тази с ферит (модел EXCX4CH120X на същия производител със Z=12 W при 100 MHz и Imax=100 mA).

Те са част от серията ЕХС от 12 модела, от които има за интерфейсите USB, HDMI и Display Port и за диференциалните мрежи MIPI и LVDS.

Друг характерен пример, особено подходящ за сравнително нискочестотни смущения, е WE-CNSW на Wuerth Elektronik с импеданс 6 kW при 10 MHz, Imax=90 mA и постояннотоково съпротивление 5,5 W. Съществуват и набори от две еднакви и независими една от друга синфазни бобини (Common Mode Noise Filter Array) със символично означение на фиг. 6д, каквито са 4 от моделите в серията ЕХС.

Специфични, но масови са приложенията на бобините за потискане на смущенията, разпространяващи се по едно- и трифазните променливотокови мрежи. Значително е разнообразието на модели, като тук ще представим две типични серии на Schurter.

За намаляване на синфазните смущения, предизвиквани от ключови стабилизатори, усилватели с накъсване на сигнала и управляващите блокове на постояннотокови захранвания и стъпкови електродвигатели, е серията DKFS, включваща 14 бобини с импеданс между няколко стотици W и няколко десетки kW при честота 100 kHz, Imax между 0,4 и 4 А и постояннотоково съпротивление между 18 mW и 1,3 W.

За трифазни мрежи (инвертори, честотни конвертори, UPS) е серията DKLP-3 от 8 бобини с импеданс при 100 kHz между няколко kW и няколко десетки kW, Imax=3А-16А, и постояннотоково съпротивление 22 – 260 mW.

Проходни кондензатори. Ползват се за диференциални смущения като се поставят на активния проводник. Свързването им се изяснява чрез фиг. 7а, изводите на корпуса им са на фиг. 7б, като броят им определя наименованието 3-изводни кондензатори (3-terminal capacitor).

Те осигуряват капацитет между проводника и маса, който за преминаващите по него полезни сигнали има голям ХС и не им влияе. За високочестотните смущения ХС е малък и отклонява към маса голяма част от тях, т. е. не преминават по проводника.

Сред типичните примери е серията NFM на Murata, обхващаща 76 типа с капацитет между 22 pF и 27 mF, максимално постоянно напрежение (между проводника и маса) от 2,5 до 100 V и максимален ток по проводника 200 mA – 10 A при размери на най-малкия 1x0.5x0.5 mm.

Обикновено проходните кондензатори се поставят на проводника за постояннотоково захранване, например върху печатната платка между ИС на памет и захранването й. Съществуват и набори от проходни кондензатори (3-terminal capacitor array), например NFA31CC Series на Murata от 6 модела с по 4 кондензатора (фиг. 7в) с капацитет между 22 pF и 22 nF.

RC филтри. Действието им е както на добре познатите в електрониката нискочестотни филтри, а употребата им е твърде ограничена главно поради наличието на по-ефективните и вече с достатъчно малки размери и тегло LC филтри.

За реализацията се ползват проходни кондензатори, което се вижда от еквивалентната схема (фиг. 8а) на филтрите в NFR21G Series на Murata. Нейните 10 модела са с размери 2x1.25x0.5 mm и съдържат кондензатор между 10 pF и 100 pF и резистори 22 W - 100 W, които определят гранична честота между 20 MHz и 300 MHz и потискат смущения до 1 GHz. С подобна гранична честота са 10-те модела в NFA31GD Series, всеки от които с по 4 филтъра и еквивалентна схема на фиг. 8б.

LC филтри. Съвременните им размери и тегло позволяват използването им дори в джобни преносими устройства. Съществуват Г- (L-type), Т- (T-type) и П-образни (p-type) филтри за диференциални сигнали, като използваните с класическа навита бобина съдържат в наименованието си “Coil” или “Wire-wound”, а тези с тънкослойна бобина – “Chip”.

На фиг. 9а е пример за Г-образен филтър – NFA21SL series на Murata с размери 2x1,25x0,5 mm, предназначен за 4 линии. Шестте филтъра на серията са с гранична честота 280-330 MHz, осигуряват затихване 15-25 dB при 900 MHz и имат Imax=100 mA.

Съществена група LC филтри са предвидените за ограничаване на EMI, разпространяващи се по постояннотокови линии, например в индустрията, автомобилите, между постояннотокови стабилизатори, в електронни измервателни прибори. Характерни техни особености са значителният Imax и стойностите на fmax между няколко MHz и няколко десетки MHz.

Типични примери са MSP Series на API Technologies, в която те са 10 А и 25 MHz и FA Series за повърхнинен монтаж на Kemet с ток 0,5 А – 10 А и честота между няколко десети и няколко десетки MHz. Ползват се и двузвенни Г-образни филтри, какъвто е BNX029-01 на Murata, който осигурява затихване не по-малко от 35 dB в честотна лента 15 kHz – 1 GHz, като има Imax = 15 А.

Серията ELKEA на Panasonic Industrial Devices съдържа десет Т-образни филтъра със схема на свързване на фиг. 9б и гранични честоти между 3 MHz и 500 MHz, чийто Imax=6А се дължи на навитата с проводник бобина, независимо от която размерите на филтрите са едва 3.2x2.2x1.8 mm.

Серията 4700 на Tusonix съдържа шест П-образни филтъра (фиг. 9в) със затихване между 16 и 70 dB при 1 GHz, дължина 8 mm и диаметър 2,2 mm, чийто метален корпус се запоява върху печатната платка.

Комбинирани защити ESD/EMI
Масово използваното им наименование е EMI Filter with ESD Protection, като за ESD в схемите им има ценерови диоди, а за EMI – RC или LC филтри.

Защити съдържащи RC филтри. Реализират се с нискочестотни филтри, като при ползването им трябва да се има предвид зависимостта на техния коефициент на предаване KdB от честотата (фиг. 10а), като се използват и 4-те му участъка.

Първият до граничната честота f-3dB е класическата лента на пропускане, в която той обикновено е около -6 dB. Вторият участък е също познатата лента на непропускане, в края на която KdB е между -30 и -70 dB в зависимост от схемата на защита.

След неговата минимална стойност започва участък III на увеличаване на коефициента (до около -20 dB) поради паразитната индуктивност на проводниците на масата, който в участък IV отново намалява заради паразитната индуктивност на активния проводник. Полезно е да се има предвид, че често в документацията като параметър се дава S21dB= -KdB.

Основната схема е на П-образен филтър (фиг. 10б), в която кондензаторите са паразитните капацитети на ценеровите диоди. Обикновено в един корпус има от 2 до 8 еднакви схеми по една за всяка от свързващите линии, но съществуват разновидности с прибавени ценерови диоди за защита на проводниците за постояннотоково захранване, които може да са с по-големи VESD от тези на линиите.

В колона 2 на табл. 4 това е отразено с прибавяне на цифра за броя им (3+1 означава три RC филтъра и един ценер). Друга особеност е съществуването на ИС с различни R и f-3dB за отделните линии.

Важно за ползването е, че в каталозите обикновено се дава и честотната зависимост на S21, от която се вижда стойността му в лентата на пропускане, тази на f-3dB и честотата fmax на най-голямото затихване с неговата стойност.

Дадените в табл. 4 примери са на масово използваните корпуси за повърхнинен монтаж, в изключение на този на ред 3, който е за платки с отвори (такъв е и на SHCV Series на TDK).

Специфичен и по-рядко използван тип е защитата от успоредно свързани варистор и кондензатор (фиг. 10в), които потискат основно импулсни смущения от електродвигатели, релета и други с индуктивен характер. Основните им различия от тези с ценерови диоди са невинаги даваната значително по-ниска f-3dB (обикновено до няколко MHz) и големият им ток, достигащ няколко стотици А. Примери са серията V2F на производителя AVX и VFC2Н Series на Murata.

Защити с бобини и ценерови диоди. Първата от двете основни разновидности са синфазни бобини с ценерови диоди между всеки от изводите им и маса за ограничаване на напреженията им. Това се вижда от фиг.11а (представен е ChipGuard CGF Series на Bourns) с максимално напрежение 5V на изводите, а преминаващите сигнали са с честота до 3 GHz. С две такива схеми в един корпус е EXC18CS900U на Panasonic Industrial Devices със същото напрежение и пропускане на сигнали до 2 GHz.

Вторият вид са LC филтрите със защити на изводите от ESD. В корпус с размери 1,7x1,3x0,5 mm е EClamp2504K на Semtech, който осигурява затихване не по-малко от 20 dB в обхвата 800 MHz – 2,7 GHz и защита от ESD с и без допир съответно ±8 kV и ±15 kV. За USB интерфейс е предназначен филтърът на фиг. 11б (Wuerth Elektronik), синфазната бобина в който е WE-CNSW, тази за захранването е WE-CBF series и ценеровите диоди са от WE-VE series, докато изискванията към варистора са в зависимост от конкретното приложение.