Головная боль проектировщиков ESD из-за множества требований к автомобильным испытаниям, часть I

Тенденция к «умной электрификации» общества вызывает необходимость защиты от электростатического разряда на системном уровне. IEC 61000-4-2 [1] определяет, как выполнять испытание на устойчивость к электростатическому разряду на уровне системы. Примерно 15 лет назад защита от таких событий включала внедрение специальной защиты от электростатического разряда (TVS – подавители переходного напряжения) на уровне платы/системы вблизи разъемов, взаимодействующих с «внешним миром».

Однако новая тенденция реализации надежности системного уровня на уровне компонентов (т. е. на кристалле) быстро становится стандартной практикой, главным образом, из-за желания снизить затраты на проектирование системы/платы.

Хотя на бумаге это может показаться логичным шагом, это ставит перед разработчиком компонента ESD огромные проблемы, поскольку:

В автомобильном мире ситуация еще более сложная. Помимо устойчивости к электростатическому разряду на уровне системы (ISO 10605 [2], адаптированный из IEC 61000-4-2), существует множество других требований, касающихся устойчивости к обоим электрическим помехам (ISO 7637 [3, 4, 5]). и радиочастотным помехам (IEC 62132 [6]), которые должны быть соблюдены.

Эта статья разделена на две части. В первой части рассматриваются проблемы проектирования ESD, вытекающие из спецификаций ISO 10605, а во второй части будут рассмотрены компромиссы между проектированием ESD и требованиями устойчивости к ЭМС.

Для удовлетворения спроса на конкурентоспособные внутрикристальные решения IEC ESD (с целевым током более 30 А для спецификации уровня 4) необходимо внедрение схемы защиты на основе SCR. Благодаря низкому удерживающему напряжению это решение чрезвычайно выгодно с точки зрения рассеиваемой мощности. Однако это может произойти за счет большого колебания между напряжением запуска и напряжением удержания, что может вызвать неравномерную проводимость тока и сделать решение неэффективным. Это будет играть роль в конкретных различиях между IEC 61000-4-2 и ISO 10605 с точки зрения проектирования ESD.

ISO 10605 определяет четыре различных комбинации RC (R=330 Ом, R=1,5 кОм, C=150 пФ и 330 пФ), что приводит к времени затухания импульса в диапазоне от 60 нс до 600 нс. Фактическая комбинация RC, требуемая на уровне платы/системы, может быть неизвестна во время проектирования компонентов. Прямым следствием является то, что разработчику ESD необходимо проверить решение ESD на всех четырех формах напряжения, с совершенно разной шириной импульса, содержанием энергии и временем нарастания.

В [7] сообщалось, что высоковольтный тиристор, отвечающий требованиям уровня 4 IEC (соответствующий ISO с R = 330 Ом и C = 150 пФ), с треском провалил все другие варианты напряжения ISO с большей емкостью и резисторами. Основная причина была определена в недостаточной масштабируемости мощности высоковольтного тиристора, вызванной образованием статической нити накала для импульсов длительностью более 100 нс. Также была установлена ​​корреляция первого порядка между длительностью стресса TLP и уровнем ISO (см. рисунок 1 [7]).

Рисунок 1: TLP с длинными импульсами может имитировать воздействие различных комбинаций теста ISO [7]

Чтобы достичь поставленной цели по производительности, пришлось разработать новую архитектуру с очевидной задержкой в ​​разработке продукта. Об аналогичной проблеме (т. е. отсутствии корреляции между TLP и тестом ISO с R=1,5 кОм) также сообщалось в [8].

Хотя четыре формы сигналов напряжения в ISO 10605 достаточно четко определены, нет никакой гарантии, что одни и те же формы сигналов действительно используются на уровне компонентов. Это основная концептуальная проблема, лежащая в основе идеи реализации устойчивости к электростатическому разряду на уровне системы на уровне компонента, то есть фактические формы сигналов, видимые на внешне подключенных выводах компонента, являются функцией реализации конкретной платы/системы (соединительные дорожки и/или дискретные компоненты). В частности, индуктивные нагрузки (т. е. длинные дорожки на плате, наличие синфазных дросселей или разряды через длинные кабели) будут вызывать значительное отклонение от ожидаемых форм сигналов ISO 10605 как по продолжительности (может стать намного длиннее), так и по форме (вместо этого колебательная). экспоненциально убывающего).