ワイヤレス設計の ESD 保護
静電気放電 (ESD) は、静電気エネルギーが制御されずに突然放出されることです。 この電気エネルギーの放電は、敏感な集積回路に損傷を与える可能性があるため、ワイヤレス システムの設計者は ESD に注意する必要があります。
ワイヤレス システム メーカーは、より厳格な ESD 仕様を開発しており、回路基板設計者の作業をより困難にしています。 さまざまな ESD 規格が存在するため、設計作業が複雑になっています。 人体モデル HBM (humanbodymodel) と IEC1000-4-2 という 2 つの最も一般的な国際規格を検討します。 最初の標準は、接触条件をシミュレートし、デバイスに適用されます。 2 番目の標準は、システム レベルの ESD 保護に使用されます。
ワイヤレス設計の ESD 保護は、特別な課題に直面しています。 ESD 保護にはさまざまな手法があり、それぞれに長所と短所があります。 ただし、ワイヤレス設計では、性能、回路スペース、重量、消費電力、およびコストのすべてが、統合されたダイオード保護ネットワークの使用に有利です。
さらに、最高の ESD 保護性能を得るためにダイオード ネットワークを適用する方法について説明します。 最適な性能は、回路基板のレイアウトと密接に関係しており、ESD 電流が敏感な集積回路を損傷することなく保護デバイスに入ることができるようにします。 さらに、ダイオード保護ネットワークを使用する場合は、システムのパワーダウンの問題に注意する必要があります。 最後に、デバイスの ESD 保護性能とシステムの保護性能を関連付ける簡単な方法はありませんが、デバイスを保護するためのクランプ電圧を指定することは、2 つを結び付ける効果的な方法です。
ESD 標準 HBMESD テストは通常、集積回路に使用されますが、IEC1000 はシステムの ESD テストを定義します。 どちらも、電流制限抵抗を通過するコンデンサの放電 ESD モデルを使用します (図 1)。 違いは、デバイス値のサイズです。 HBM の場合、コンデンサの値は 100pF で、電流制限抵抗は 1500Ω です。 IEC1000 のピーク放電電流は、同じ ESD 電圧に対して HBM のそれよりもほぼ 5 倍高いことに注意してください。 さらに、IEC1000 では、接触放電法と気中放電法を使用して機器をテストします。 規格では、接触放電の ESD 電圧を 2kV ～ 8kV と定義しており、空気接触は 15kV に達する可能性があります。 IEC1000 で指定されている電流の立ち上がり時間は 1ns 未満であり、保護デバイスからの非常に高速な応答が必要であることに注意してください (図 2)。 同じ理由で、ボード レイアウトは、システムの ESD 保護を実現するために重要です。
保護方法 IEC1000-4-2 の ESD 保護要件を満たすには、ワイヤレス通信機器を適切に保護する必要があります。 ボタンや I/O ポートなど、ユーザーが触れる部分は ESD の影響を受けやすいため、保護が必要です。 簡単な手法は、通信ラインにコンデンサを配置して ESD パルスを吸収することです。これにより、信号速度が低下し、駆動電流の消費が増加します。 ボード上でスパークギャップを使用できます。 スパーク ギャップは、ESD パルス中に融合するように設計されており、電流はグランドにシャントされます。 ただし、この技術は大きなスペースを占有し、経年劣化後の ESD 保護の信頼性を低下させます。 MOV (金属酸化物バリスタ) デバイスは、高電圧でオフにすることができ、応答時間が遅いアプリケーションで使用できます。 しかし、かさばり、静電容量が大きいため、信号ラインの保護には不向きであり、経年劣化という欠点もあります。
ツェナー ダイオードの場合、所定の電圧で大電流をクランプできますが、信号ラインを保護するのに必要のない寄生容量が生成されます。 対照的に、グラウンドと電源に接続された高速で低容量のダイオードは優れたソリューションです。 それらは大きなピーク電流を処理でき、逆漏れ電流が小さく、複数回の ESD ストライクに損傷なく耐えることができます。 ESD パルスを敏感な保護デバイスから遠ざけることに成功し、長寿命です。 ただし、ガード ラインごとに 1 つのダイオード ペアが必要です。 デバイスあたりの価格が低いにもかかわらず、総設置コストと必要なスペースを考慮すると、分割ソリューションは不適切です。
たとえば、IEEE-1284 パラレル ポートを保護するには、17 個のダイオード ペアが必要です。 さまざまな数のダイオード ペアを 1 つのパッケージに統合することで、最適な費用対効果の高いソリューションが得られます。
統合ダイオード保護ネットワーク ダイオード アレイの ESD 保護原理は非常に単純です。 電源とグランドに接続されたダイオード ペアが、保護された信号ラインに追加されます。 通常の動作中、これらのダイオードは逆バイアスされていますが、信号ラインの電圧が対応する端子の電圧よりもそれぞれ高いまたは低い場合、順バイアスが発生します。 順方向バイアスは、ESD パルス中にダイオードが電源またはグランドに電流を引き込むときに発生し、保護されたデバイスを離れて、わずかな電圧と電流のショックのみを受けます。
集積回路の I/O ピンは 2kV HBMESD 電圧に耐えるように設計されているため、保護されたデバイスはこのエネルギーに耐えることができますが、これは外部ダイオード ネットワークにより厳しい要件を課します。 IEC1000-4-2 の方法によると、これらのネットワークは 8kV の「接触放電」に耐える必要があります。 さらに、集積回路やその他の受動デバイスが損傷しないように、背後の電圧をクランプする必要もあります。 最後に、信号の性能を低下させないために、ダイオード ペアの総容量は 5pF 未満にする必要があります。
ワイヤレス アプリケーションは通常、小さなフットプリント パッケージを必要とするため、保護デバイスは、ディスクリート ソリューションよりも競争力のある SOT、MSOP、および QSOP パッケージにパッケージ化する必要があります (図 3)。
ESD 保護を最適化するには、回路基板の設計と取り付けに注意を払う必要があります。 まず、ESD パルスのエントリ ポイントとダイオード保護ネットワークの間の寄生インダクタンスを最小限に抑えます (図 4)。 寄生インダクタンスは、ESD パルス電流の急速な変化に抵抗し、ダイオード ネットワークに入る ESD 電流が保護デバイスに流れ込むことを可能にします。 この点に関して、設計者はインダクタと保護対象デバイスの間にダイオード ネットワークを配置する必要があります。これにより、ESD 保護性能が 2 つの点で向上します。 ESD パルスは最初にダイオード ネットワークを強制的に通過させられ、パルスのごく一部のみが後続のデバイスに入ります。
以下は、ワイヤレス esd キーボード、ワイヤレス esd マウス、ワイヤレス esd リスト ストラップです。
