Esd protection diode что это
ESD в переводе означает Electrostatic Discharge, т. е. электростатический разряд. Он происходит в момент уравнивания разности потенциалов между двумя проводниками, и может необратимо повредить чувствительные электронные схемы. В этой статье приведены причины возникновения ESD и способы защиты от него (использовался перевод статей [1, 2]).
[Откуда берется ESD?]
Статическое электричество представлено дисбалансом положительного и отрицательного зарядов, которые могут накапливаться на поверхности объекта.
Простой электроскоп, показывающий наличие статического электричества (автор D. Mohan Kumar):
ESD визуально наблюдается как синяя искра, между поверхностями токопроводящих объектов. Иногда эту искру можно не заметить, но все равно электрический разряд потенциально может повредить чувствительные полупроводники. Статическое электричество чаще всего накапливается в сухом климате, особенно в зданиях централизованного отопления, и особенно частот рядом с фотокопировальными машинами (ксероксами). Статический заряд может быть очень значительным в помещении с низкой влажностью, когда техника кондиционирования работает не надлежащим образом. Обычно отрицательный заряд накапливается возле пола, а положительный на некоторой высоте от него. Устранение статических зарядов может быть реализовано с помощь ионизации и увлажнения воздуха, а также правильно организованной вентиляции.
Тело человека. Ваше тело не только проводник электростатики, оно настоящий генератор ESD. Помните игру в школе, когда Вам установили новую мебель, и обнаружилось, что когда елозишь попой на стуле, тело электризуется? Можно было подойти к однокласснику и испугать его прикосновением разряда ESD. Иногда при этом можно было заметить искру электрического разряда! Конечно, такой разряд не сулит электронике ничего хорошего.
Обе ваши руки электрически соединены друг с другом, и можно безопасно перекладывать электронные компоненты из одной руки в другую. Однако реальная проблема возникает при передаче электроники от одного человека к другому, а также когда человек, который держит в руке плату, пытается установить её в какой-либо электронный прибор.
Питающая сеть 220V. Питающая сеть также может создавать потенциалы напряжения, которые могут повредить электронику. Такое напряжение тоже часто относят к ESD, и оно также опасно.
Вот так могут выглядеть подобные сетевые фильтры снаружи и внутри:
Конденсаторы фильтра уменьшают проникновение высокочастотных помех из питающей сети в электронику и обратно. Однако тот факт, что они также соединяют сеть 220V с общей шиной (земля, GND) электронных приборов, может привести к проблемам, если общая шина по какой-то причине не заземлена. Обратите внимание на конденсаторы C3 и C4 в примере схемы фильтра. Эти конденсаторы создадут переменное напряжение около 110V между шасси питаемого устройства и шиной земли или нейтрали, если по какой-то причине точка соединения C3 и C4 не заземлена.
Почему при отсутствии заземления сетевой фильтр может создавать проблемы. Известно, что современные шнуры трехпроводные, и коннектор на шнуре имеет 3 контакта. Один провод и контакт специально выделен для заземления, он уравнивает шасси прибора с общим потенциалом. Вот так выглядит нормально работающая схема питания:
В этом примере показаны два устройства:
Устройство 1. Заземленный компьютер, где программист пишет и отлаживает программу.
Устройство 2. Разрабатываемый прибор, который питается от заземленного источника питания.
Программист отлаживает программу, передавая её через USB и адаптер JTAG в отлаживаемое устройство. Иногда программисту требуется перетыкать кабель JTAG. Если сетевые кабели 220v обеспечивают надежный контакт с землей, то обычно проблем не возникает. В момент подключения коннектора JTAG к отлаживаемому устройству они изначально имеют друг относительно с другом безопасный для электроники потенциал. Здесь земли обоих устройств GND1 и GND2 соединены через сетевую вилку, и поэтому коннекторы JTAG папа и мама получают друг относительно друга безопасный, близкий к нулю потенциал.
Но может возникнуть и опасная ситуация, когда по какой-то причине устройство 1 или устройство 2 (или даже они оба) не заземлены. Это обычная ситуация в случае некачественного сетевого кабеля, или если он подключен в розетку, которая не имеет заземления. Для примера предположим, что общий провод устройства 1 не соединен с землей. Тогда между контактами коннектора JTAG (он через USB подключен к компьютеру, т. е. устройству 1) и отлаживаемым устройством может образоваться опасное напряжение около 110V переменного тока:
Если по какой-то причине в момент подключения коннектора JTAG соединится не контакт земли, а сигнальный провод (любой из сигналов TCK, TDI, TDO, TMS) то через него потечет опасный ток, который может повредить как микроконтроллер, где отлаживается программа, так и адаптер JTAG.
Для устранения подобных ситуаций применяют выделенное, специально организованное соединение между землей компьютера и землей отлаживаемого устройства. Это самый простой и надежный способ. Также иногда дополнительно используют адаптеры JTAG с гальванической изоляцией интерфейса.
[Защита от ESD]
Вот несколько общих принципов защиты от ESD, по мере уменьшения их значимости. Они могут применяться как по отдельности, так и совместно, для усиления эффекта:
1. Предварительное уравнивание потенциалов в безопасной для электроники цепи.
2. Ограничение тока разряда с ограничением напряжения разряда на чувствительной цепи.
3. Изоляция.
Идеально организованное рабочее место, обеспечивающее защиту электроники от ESD:
Если Вы понимаете, как реализовываются эти принципы на практике, то дальше можно не читать, нужно только создать все условия, которые будут гарантировать минимум риска появления ESD и их вредного воздействия.
[Уравнивание потенциалов]
Вот меры, которые помогут снять потенциал ESD еще до того, как разряд доберется до электроники:
1. Поддержание в помещении оптимальной влажности, применение кондиционеров и ионизаторов воздуха.
2. Антистатическая обработка мебели и одежды.
3. Применение антистатических матов и браслетов на рабочем месте.
4. Заземление всего, что только возможно.
5. Поддержание в идеальном рабочем состоянии заземления питающей сети 220V и кабелей подключения к ней.
6. Антистатическая упаковка.
7. Соблюдение некоторых правил при передаче электроники с места на место.
8. Применение специальных коннекторов, обеспечивающих гарантированное первое подключение шины земли.
Несколько простых правил манипуляций с электронными компонентами, которые помогают защититься от ESD:
• При передаче электронного компонента от человека к человеку сначала коснитесь кожи человека, и только потом передавайте ему компонент. Первое прикосновение гарантирует уравнивание потенциала в безопасном для электроники месте.
• Синтетические коврики на полу могу генерировать заряд. Избегайте их на рабочем месте, или используйте специальные антистатические коврики и маты.
• Электронно-лучевые трубки (используемые в старых моделях осциллографов и мониторов) могут быть опасны, так как они питаются от высокого напряжения и могут создавать электрические заряды на экране. Держите чувствительные к ESD компоненты на безопасном расстоянии от экрана, и избегайте касаний экрана.
Паяльные станции. Имейте в виду, что многие старые паяльные станции, и даже некоторые современные, имеют клеммы заземления, которые накоротко соединены с жалом паяльника. Вот очень качественный современный паяльник TS100 с клеммой заземления, которая имеет нулевое сопротивление с жалом паяльника:
Если этого не сделать, то короткое заземление через жало паяльника, когда случайно начали паять находящееся под питанием устройство, может повредить его электронную схему. Это событие не связано с ESD, однако оно тоже опасно. Включенный последовательно с заземлением резистор избавит Вас от подобных проблем.
Изоляция паяльника. Оригинальное решение, которое хорошо работает в случае использования электростатических коврика и браслета, или надежного соединения паяемого устройства с клеммой заземления паяльной станции. Паяльник TS100, работающий от аккумуляторной батареи:
[Обеспечение первого подключения шины земли]
Некоторые коннекторы устроены таким образом, что некоторые штырьки у них длиннее. Обычно длинные штырьки используются для подключения провода земли (GND), иногда и питания. Это сделано специально, чтобы при соединении, когда разъем входит в ответную часть, сначала соединялись и уравнивали свой потенциал цепи с длинными контактами, и только потом соединялись сигнальные цепи. Получается возможность реализовать горячее подключение, когда устройство находится под током и работает.
[Ограничение тока разряда]
К этому способу защиты относят ESD-фильтры и защитные цепи, состоящие из резистора и двух диодов.
ESD-фильтры, EMI-суппрессоры. Выпускаются интегральные фильтры и подавители помех. Некоторые из них имеют встроенные ограничители напряжения (варисторы, диоды), которые снижают риск повреждения от импульса статического электричества [3].
Защитные цепи. Последовательно включенный резистор и цепочка из диодов защищают сигнальную цепь от перенапряжения. Уровень напряжения на сигнальной шине не может опуститься значительно ниже GND (в этом случае ток пойдет через диод D2) и подняться выше уровня напряжения питания Vcc (в этом случае ток пойдет через диод D1).
Динамичная защита от статики: решения Littelfuse для ESD-защиты
Нарастание электростатического разряда (ESD) происходит менее чем за наносекунду. А повреждения электронным устройствам при этом он способен нанести значительные. Как применить широкий спектр выпускаемых компанией Littelfuse устройств защиты от ESD (многослойные варисторы, диодные сборки, полимерные супрессоры) для защиты, к примеру, различных интерфейсов передачи данных?
Электростатическим разрядом (ESD – Electro Static Discharge) называется передача электрического заряда между любыми двумя объектами. Наиболее распространенной причиной является трение между двумя разнородными материалами, вызывающее накопление электрических зарядов на их поверхностях. Как правило, одной из поверхностей является человеческое тело. Типичным примером этого является статический разряд, который человек испытывает после прогулки по ковру при последующем прикосновении к металлическому объекту. Разряд сопровождается болезненным ощущением в точке контакта и, как правило, сопровождается небольшими искрами и щелчками, при этом величина потенциала может достигать 15 кВ. И если разряд в 6 кВ является болезненным для человека, то более низкие значения хоть и могут остаться незамеченными, но все же способны вызвать необратимые повреждения электронных компонентов и схем или привести к скрытым дефектам, которые проявят себя позже во время эксплуатации. Таким образом, ESD представляют серьезную угрозу для электронных схем и требуют применения определенных средств для уменьшения или устранения их воздействия.
Отличием ESD от других переходных процессов, таких как переключения, различные коммутационные замыкания и прочее, является очень короткое время переходного процесса: нарастание электростатического разряда происходит менее чем за 1 наносекунду, в то время как время достижения пика у большинства наиболее типичных переходных процессов составляет более 1 микросекунды.
Стандарты ESD
На сегодняшний день существует несколько стандартов по защите от ESD, которые чаще всего используют производители: EN100015, EN61340-5-1 и ANSI/ESD 20:20. Стандарт EN61340-5-1 сейчас вытеснил EN100015 и является основным стандартом в Европе. Стандарт ANSI/ESD 20:20 используется в основном в Северной Америке. Многие производители работают как с EN61340-5-1, так и с ESD20: 20 (оба стандарта в значительной степени совместимы), а иногда пользуются и другими стандартами.
В РФ действуют стандарты, утвержденные Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии и разработанные в 2009 году на базе EN61340-5-1 российским техническим комитетом ТК072 «Электростатика». Это ГОСТ Р 53734.5.1-2009 «Электростатика. Часть 5-1: Защита электронных устройств от электростатических явлений. Общие требования» и ГОСТ Р 53734.5.2-2009 «Электростатика. Часть 5-2: Защита электронных устройств от электростатических явлений. Руководство пользователя».
Основной перечень рекомендуемых международных стандартов (IEC – International Electrotechnical Commission) приведен в таблице 1 [1].
Таблица 1. Рекомендуемые международные стандарты
| Стандарт | Описание |
| IEC 61340-5-1 | Электростатика. Раздел 5-1: Защита электронных устройств от электростатики. Основные требования. (1998-12) |
| IEC 61340-5-2 | Электростатика. Раздел 5-2: Защита электронных устройств от электростатики. Руководство пользователя. (1999-02) |
| IEC 61340-4-1 | Электростатика. Раздел 4-1: Стандартные методы тестирования для специальных применений Секция 1: Электростатические характеристики напольных покрытий и системы полов. (1999-02) |
| IEC 61340-4-3 | Электростатика. Раздел 4-3: Стандартные методы тестирования для специальных применений – обувь. (1999-02) |
| IEC 61340-4-5/CDV | Электростатика. Раздел 4-5: Стандартные методы тестирования для специальных применений – метод, характеризующий степень защиты обуви в зависимости от вида. |
| IEC 61340-2-1 | Электростатика. Раздел 2-1: Методы измерений – способность материалов изделий рассеивать статические заряды. (2002-06) |
| IEC 61340-2-3 | Электростатика. Раздел 2-3: Методы тестирования для определения сопротивления и удельного сопротивления плоских твердых материалов, не накапливающих статические заряды. (2000-03) |
| IEC 61340-3-1 | Электростатика. Раздел 3-1: Методы моделирования электростатических явлений – Модель человеческого тела — Тестирование компонентов. (2002-03) |
| IEC 61340-3-2 | Электростатика. Раздел 3-2: Методы моделирования электростатических явлений — Модель машины – Тестирование компонентов. (2002-03) |
| ANSI/ESD 20.20-1999 | Ассоциация ESD-стандартов по развитию программ контроля электростатического разряда: Защита электрических и электронных частей, сборка и оборудование. (1999-08) |
Защита от ESD
В современном производстве интегральные схемы изготавливаются с различными уровнями защиты от статического электричества. Примерами таких микросхем с защитой от ESD могут быть различного назначения микропроцессоры, USB-приемопередатчики, микрочипы видеографики и другие, которые используются в компьютерах и их периферийных устройствах, мобильных телефонах, КПК, ЖК-дисплеях, в сетевом оборудовании и другой электронной технике.
При этом различают два уровня защиты: от пробоя в производственной среде и при использовании в конечном изделии.
Типичный максимальный уровень защиты от ESD в современных микросхемах равен 2000 В, что является достаточным при производственном процессе изготовления микросхем. При этом накладываются определенные требования на влажность воздуха в производственном помещении, ионизацию, заземление, необходимость персонала носить антистатические одежды. При правильном применении этих процедур обеспечивается высокая защита микросхем от воздействия ESD.
Рис. 1. Воздействие ESD на микросхему при а) отсутствии и б) наличии защиты от ESD
Однако, как только конечный продукт (компьютер, КПК, принтер и так далее) будет введен в эксплуатацию, он будет подвергаться воздействию уровней ESD, более высоких, чем те, которыми испытывали компонент в производственной среде. C увеличением на микросхеме средств защиты от электростатического разряда ее живучесть увеличивается, однако платой за это является уменьшение свободного места для функциональной схемы или необходимость увеличения размеров микросхемы, что является нежелательным, с учетом постоянной тенденции на миниатюризацию изделий электронной техники. В этом случае потребуется использование дополнительных средств защиты изделия от воздействия ESD (рисунок 1). Эти устройства дополняют встроенные возможности электрозащиты микросхем таким образом, чтобы конечный продукт мог надежно функционировать после воздействия больших уровней электростатических разрядов.
Решения Littelfuse для защиты от ESD
Для защиты от статического электричества устройство подавления должно иметь очень быстрое время отклика, а также возможность повторно обрабатывать высокие пиковые напряжения и токи в течение короткого времени.
Одним из лидеров на рынке изделий защиты от ESD является компания Littelfuse, которая уже более 80 лет занимается исследованием проблем защиты цепей в различных отраслях и приложениях.
Littelfuse предлагает три семейства устройств, которые используются для подавления ESD:
Эти технологии позволяют эффективно защищать чувствительную схему от внешних электростатических воздействий (например, создаваемых пользователями). Кроме того, варисторы MLV и сборки SP72x могут также защитить системы от выбросов мощных переходных процессов, а также скачков, вызванных воздействиями молний.
Рис. 2. Диаграмма работы средств защиты от ESD
Компоненты Littelfuse защищают цепи на входе сигнала до безопасного выбранного уровня – 3,3, 6, 12 В постоянного тока (рисунок 2). Энергия, которая должна была попасть в цепь и навредить ее компонентам, рассеивается на ESD-супрессорах и источнике ESD.
Многослойные варисторы
Рис. 3. Конструкция MLV
Компоненты MLV (Multilayer Varistors) состоят из чередующихся слоев металлических электродов и керамики или оксида цинка (рисунок 3).
Керамика из оксида цинка в обычных условиях служит как изолятор. Однако, когда напряжение повышается (как в случае ESD), выводы оксида цинка переходят от высоких к низким значением сопротивления и этим шунтируют защищаемую линию на землю (рисунок 1б).
MLV является самой надежной из технологий подавления ESD и может быть использована для защиты линии с рабочими напряжениями 3,5…120 В постоянного тока или 2,5…107 В переменного. Они также могут быть использованы для обеспечения защиты от поражения электрическими быстрыми переходными процессами EFT (Electrical Fast Transients). Кроме того, их собственная емкость (65…4500 пФ) может обеспечить фильтрацию от высокочастотных помех.
Новое семейство продуктов MLV серии MHS имеет значения емкостей 3, 12 и 22 пФ и может быть использовано в цепях с большой скоростью передачи данных (примерно до 125 Мбит).
Диодные сборки SPA (Silicon Protection Arrays). Серия SP72x
Сборки семейства SP72x состоят из нескольких ячеек диодов (на рисунке 4 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 4) на V+ или V-.
Сборки SP72x являются надежными устройствами, которые могут защитить линии связи от ESD и EFT, а также от перенапряжения в цепи. Они имеют низкую емкость (3…5 пФ) и могут быть использованы для защиты высокоскоростных линий связи (примерно до 125 Мбит).
Рис. 5. Диодная сборка SP05x
Серия SP05xx – TVS-лавинные диоды
Cборки семейства SP050x состоят из нескольких TVS-диодов (Transient Voltage Suppressor) (на рисунке 5 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-.
Сборки SP050x доступны в самых разнообразных типах корпусов с большим количеством защищаемых каналов. Существуют варианты сборок SOT-23, SOT-143, TSSOP, MSOP и миниатюрные CSP. Большое количество каналов (1…18) с емкостями начиная от 3…39 пФ позволяют эффективно защищать линии, которые работают на средних и высоких скоростях (примерно 100 кбит…125 Мбит).
PulseGuard-супрессоры
Супрессоры PulseGuard изготавливаются путем создания разрыва в электроде, что приводит к отсутствию протекания тока в цепи (рисунок 6). В промежутке применяется специальный материал VVM (Voltage Variable Material) 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 ESD материал VVM становится проводником и шунтирует ESD на общий провод.
Рис. 6. Структура PulseGuard-супрессора
PulseGuard-супрессоры отличаются от MLV и SPА тем, что они могут быть использованы только для ESD-защиты. Полимерный материал не способен выдерживать воздействия мощных сигналов переходных процессов EFT. С другой стороны, продукты PulseGuard имеют низкую емкость (0,050 пФ) и могут быть использованы для защиты линий связи, которые работают на скорости до 3…5 Гбит.
Сравнение всех трех технологий Littelfuse приведено в таблице 2.
Таблица 2. Сравнение технологий Littelfuse
ESD-сборки общего применения Littelfuse для защиты низковольтных цепей
Современная электроника способна выдерживать воздействие мощных помех и статических разрядов, однако для этого необходимо предусмотреть соответствующие механизмы защиты. Если говорить о защите от статики, то достичь требуемого уровня надежности реально с помощью простейших TVS-диодов и сборок. Компания Littelfuse предлагает широкий выбор защитных компонентов для самых различных областей, в частности — для низковольтных приложений.
Стоит ли защищать электронику от разрядов и мощных помех? Элементы защиты не расширяют функционал, не дают пользователю каких-то новых функций. Более того, дополнительные компоненты – это дополнительное повышение цены конечного устройства. Не смотря на все это, любой профессиональный разработчик ответит, что электронику защищать нужно в обязательном порядке. Однако, методы защиты зависят от конкретного приложения.
Чтобы защитить светодиодный фонарь от ударов молний, потребуются мощные разрядники или варисторы. Для портативной и бытовой электроники зачастую будет достаточно обеспечить устойчивость к статическим разрядам с помощью TVS-диодов или TVS-сборок (ESD-сборок). Это именно те компоненты, которые позволяют создать базовый уровень защиты.
Класс TVS-диодов и ESD-сборок не однороден, в нем есть свои специализированные группы. Например, компания Littelfuse делит свои сборки на три группы:
ESD-сборки для низкоскоростных интерфейсов от Littelfuse относятся к первой группе. В настоящее время она включает почти три десятка серий с различными характеристиками для различных приложений.
Отличительными чертами этой группы являются высокая мощность и значительная емкость. Высокая емкость делает их непригодными для защиты высокоскоростных интерфейсов. С другой стороны, для некоторых низковольтных приложений это скорее достоинство, так как емкость сборки представляет собой дополнительный фильтр, сглаживающий импульсы воздействующих помех.
В большинстве случаев ESD-сборки производства компании Littelfuse – это миниатюрные компоненты с бюджетной стоимостью, которые обеспечивают надежную защиту сигнальных линий и линий питания.
Говоря «надежная защита», мы имеем в виду соответствие требованиям нормативных документов, о которых стоит сказать отдельно.
Обзор нормативных документов в области устойчивости к статическим разрядам
Уровень защиты устройств подтверждается при тестировании на соответствие нормативным документам. Среди производителей электронных компонентов наиболее часто применяется MIL-STD-883 и его метод проверки с использованием модели человеческого тела HBM (Human Body Model). Этот документ устанавливает четыре основных уровня устойчивости компонентов к статическим разрядам (±0,5 кВ/0,33 А; ±1 кВ/0,67 А; ±2 кВ/1,33 А; ±4 кВ/2,67 А).
Производители электронного оборудования чаще используют другой стандарт – МЭК 61000-4-2 (в России адаптирован в виде ГОСТ Р 51317.4.2 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний»). Он определяет требования не к отдельным компонентам, а к системе в целом, и использует гораздо более жесткие тестовые воздействия. При исследовании устойчивости к контактному разряду применяются импульсы: ±2 кВ/7,5 А; ±4 кВ/15 А; ±6 кВ/22,5 А; ±8 кВ/30 А. При исследовании воздушного разряда применяются импульсы ±2 кВ, ±4 кВ, ±8 кВ, ±15 кВ. Стандарт допускает использование и более высоких напряжений испытательных импульсов.
Очевидно, что выдерживать такие импульсы под силу далеко не всем электронным компонентам.
Во многих случаях выполнение требований МЭК 61000-4-2 требует наличия дополнительной внешней защиты. Очень часто для этого будет достаточно использования обычных TVS-диодов или ESD-сборок.
Обзор семейств ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей
Группа ESD-сборок Littelfuse для низкоскоростных интерфейсов включает в себя около трех десятков серий (таблица 1). Они разработаны для использования в различных приложениях, поэтому их характеристики достаточно сильно отличаются:
Таблица 1. Серии ESD-сборок Littelfuse для низкоскоростных интерфейсов
| Наименование серии | Число каналов | Полярность | Рабочее напряжение, В | Мощность, Вт | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Емкость, пФ | Корпус |
| SDxx | 1 | Униполярный | 5, 12, 15, 24, 36 | 450 | ±30 | 50…350 | SOD323 |
| SDxxС | 1 | Биполярный | 5, 12, 15, 24, 36 | 450 | ±30 | 30…200 | SOD323 |
| SMxx | 2 | Униполярный | 5, 12, 15, 24, 36 | 400 | ±30 | 40…350 | SOT23-3 |
| SM24CANA | 2 | Биполярный | 24 | 200 | ±24 | 11 | SOT23-3 |
| SM24CANB | 2 | Биполярный | 24 | 500 | ±30 | 30 | SOT23-3 |
| SM712 | 2 | Биполярный | +7/-12 | 600 | ±30 | 75 | SOT23-3 |
| SP05 | 2/3/4/5/6 | Униполярный | 5,5 | – | ±30 | 30 | SC70, SOT23, SOT143, MSOP |
| SPxx | 1 | Биполярный | 12, 15, 24, 36 | 100 | ±30 | 26 | 0201 (Flipchip) |
| SPHVxx | 1 | Униполярный | 12, 15, 24, 36 | 200 | ±30 | 25…60 | SOD882 |
| SPHVxxC | 1 | Биполярный | 12, 15, 24, 36 | 200 | ±30 | 13…30 | SOD882 |
| SP1001 | 2/4/5 | Униполярный | 5,5 | – | ±15 | 8 | SC70, SOT553, SOT563, SOT963 |
| SP1002 | 1/2 | Биполярный | 6 | – | ±8 | 5 | SC70 |
| SP1003 | 1 | Униполярный | 5 | – | ±30 | 30 | SOD723, SOD882 |
| SP1004 | 4 | Униполярный | 6 | – | ±8 | 5 | SOT953 |
| SP1005 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 30 | 0201 (Flipchip), 0402 (SOD882) |
| SP1006 | 1 | Униполярный | 6 | – | ±30 | 25 | 0201 (µDFN-2) |
| SP1007 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±8 | 3,5 | 0201 (Flipchip), 0402 (SOD882) |
| SP1008 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±15 | 6 | 0201 (Flipchip) |
| SP1009 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 30 | 0201 (Flipchip) |
| SP1011 | 4 | Униполярный | 6 | – | ±15 | 7 | µDFN-6 |
| SP1012 | 6 | Униполярный | 5 | – | ±15 | 6,5 | 0,94×0,61мм Flip Chip |
| SP1013 | 1 | Биполярный | 5 | – | ±30 | 30 | 0,54×0,29 мм Flipchip |
| SP1014 | 1 | Биполярный | 5 | – | ±12 | 6 | 0,54×0,29 мм Flipchip |
| SP1015 | 5 | Униполярный | 5 | – | ±20 | 5 | 0,95×0,55 мм Flip Chip |
| SP1020 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 20 | 01005 Flipchip |
| SP1021 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±12 | 6 | 01005 Flipchip |
| SP1026 | 1 | Биполярный | 6 | – | ±30 | 15 | 0201 (µDFN-2) |
Рассмотрение особенностей каждой из серий потребует значительного времени, по этой причине уделим внимание только наиболее популярным и доступным ESD-сборкам Littelfuse.
Особенности популярных серий ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей
Рис. 1. Внешний вид и конфигурация ESD-
сборок серии SDxxC
Серия SDxxC – группа двунаправленных ESD-сборок в миниатюрном корпусе SOD323 (рисунок 1). Несмотря на малые габариты, мощность этих компонентов составляет солидные 450 Вт.
Серия включает в себя пять представителей с различными рабочими напряжениями: 5/12/15/24/36 В (таблица 2). Это позволяет использовать их для защиты самых различных приложений: цифровых входов/выходов, аналоговых линий, низкоскоростных интерфейсов. При этом стоит отметить, что эти сборки обеспечивают рейтинг защиты от контактного разряда выше, чем требует МЭК 61000-4-2 при самом жестком воздействии.
Таблица 2. Характеристики ESD-сборок серии SDxxC
| Наименование | Uраб, В | Число каналов | P, Вт | C, пФ | Uогр (ток 1 А) (8/20 µs), В | Iпик (8/20 µs), А | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Корпус |
| SD05C-01FTG | 5 | 1 | 450 | 200 | 10 | 30 | ±30 | SOD323 |
| SD12C-01FTG | 12 | 100 | 18,5 | 17 | ||||
| SD15C-01FTG | 15 | 75 | 24 | 12 | ||||
| SD24C-01FTG | 24 | 50 | 34 | 7 | ||||
| SD36C-01FTG | 36 | 30 | 50 | 5 |
Серия SP05xx объединяет в себе многоканальные ESD-сборки с рабочим напряжением 5,5 В. Все представители данной серии имеют одинаковую конфигурацию с общим анодом, а корпусное исполнение зависит от числа каналов: двухканальные SC70-3 и SOT23-3, трехканальные SOT143-4, четырехканальные SC70-5 и SOT23-5, пятиканальные SC70-6 и SOT23-6, шестиканальные MSOP-8 (рисунок 2, таблица 3).
Рис. 2. Внешний вид и конфигурация ESD-сборок серии SP05xx
Таблица 3. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx
| Наименование | Uраб, В | Число каналов | C, пФ | Uогр (ток 1 мА), В | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Корпус |
| SP0502BAJTG | 5,5 | 2 | 30 | 8,5 | ±30 | SC70-3 |
| SP0502BAHTG | 2 | SOT23-3 | ||||
| SP0503BAHTG | 3 | SOT143-4 | ||||
| SP0504BAJTG | 4 | SC70-5 | ||||
| SP0504BAHTG | 4 | SOT23-5 | ||||
| SP0505BAHTG | 5 | SOT23-6 | ||||
| SP0505BAJTG | 5 | SC70-6 | ||||
| SP0506BAATG | 6 | MSOP-8 |
Рис. 3. Внешний вид и конфигурация ESD-
сборок для защиты CAN-шины SM24CANAи
SM24CANB
Низкое рабочее напряжение 5,5 В, наличие большого количества каналов, низкая емкость (30 пФ) делают эти сборки универсальным инструментом для защиты цифровых линий и низкоскоростных интерфейсов.
Сборки SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG – это специализированные решения для защиты CAN-трансиверов, в том числе – в автомобильных приложениях. Для защиты одного приемопередатчика требуется только одна сборка, так как она в одном корпусе объединяет два двунаправленных TVS-диода (рисунок 3).
Несмотря на миниатюрное корпусное исполнение (SOT23-3), SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG отличаются высокими защитными свойствами (таблица 4). SM24CANA-02HTG имеет мощность 200 Вт и выдерживает тестовые импульсы напряжением до ±24 кВ. У SM24CANB-02HTG характеристики еще лучше: мощность до 500 Вт и рейтинг напряжения при контактном разряде ±30 кВ.
Таблица 4. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx
| Наименование | Uраб, В | Число каналов | P, Вт | C, пФ | Uогр (ток 1А) (8/20µs), А | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Корпус | |
| SM24CANA-02HTG | 24 | 2 | 200 | 11 | 36 | 3 | ±24 | SOT23-3 |
| SM24CANB-02HTG | 24 | 500 | 30 | 34 | 10 | ±30 |
Серия SP1001xx – многоканальные ESD-сборки с рабочим напряжением 5,5 В. Важным достоинством представителей данной серии является низкая емкость – всего 8 пФ. Это делает их идеальным выбором для защиты низкоскоростных низковольтных интерфейсов, например RS-485.
В настоящее время серия SP1001xx объединяет в себе сборки с различным числом каналов и корпусным исполнением (рисунок 4, таблица 5): двухканальные SC70-3 и SOT553, четырехканальные SC70-5 и SOT553, пятиканальные SC70-6, SOT563 и SOT963.
Рис. 4. Внешний вид и конфигурация ESD-сборок серии SP1001xx
Таблица 5. Характеристики ESD-сборок серии SP1001xx
| Наименование | Uраб, В | Число каналов | C, пФ | Uогр (ток 1 А) 8/20 µs, В | Iпик (8/20 µs), А | Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ | Корпус |
| SP1001-02JTG | 5,5 | 2 | 8 | 8 | 2 | ±15 | SC70-3 |
| SP1001-02XTG | 2 | SOT553 | |||||
| SP1001-04JTG | 4 | SC70-5 | |||||
| SP1001-04XTG | 4 | SOT553 | |||||
| SP1001-05JTG | 5 | SC70-6 | |||||
| SP1001-05VTG | 5 | SOT963 | |||||
| SP1001-05XTG | 5 | SOT563 |
Особенности применения серий ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей
ESD-сборки производства компании Littelfuse можно разделить на три группы: сборки для низковольтных цепей, высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности для защиты интерфейсов, применяемых на открытом воздухе.
Представители каждой из групп разрабатывались с учетом требований той или иной области приложений. Например, высокоскоростные интерфейсы не допускают использование защитных TVS-диодов и сборок с высокой собственной емкостью, которая бы искажала форму сигналов. Группе ESD-сборок для низковольтных цепей в ряде случаев высокая емкость может приносить пользу, выступая как дополнительный фильтр.
В общем случае приложениями для ESD-сборок для низковольтных цепей становятся:
Общие рекомендации по применению представлены в таблице 6.
Таблица 6. Рекомендации Littelfuse по применению ESD-сборок для низковольтных цепей
| Аудио-линии | Порты ввода/вывода | LIN | CAN | RS232 | RS485 | USB 1.1 | ЖК-мониторы | ЖК портатив-ной электро-ники | SIM | Карты памяти | Клавиа-туры | Аналого-вое видео | Пита-ние |
| SDxx | + | + | + | + | + | ||||||||
| SDxxС | + | + | + | + | + | + | |||||||
| SMxx | + | + | + | + | + | ||||||||
| SM24CANA | + | ||||||||||||
| SM24CANB | + | ||||||||||||
| SM712 | + | ||||||||||||
| SP05 | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||
| SPxx | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||
| SPHVxx | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |||
| SPHVxxC | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |||
| SP1001 | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |||
| SP1002 | + | + | + | ||||||||||
| SP1003 | + | + | + | + | + | + | |||||||
| SP1004 | + | + | + | + | + | + | + | ||||||
| SP1005 | + | + | + | + | + | ||||||||
| SP1006 | + | + | + | + | + | ||||||||
| SP1007 | + | + | + | + | |||||||||
| SP1008 | + | + | + | + | |||||||||
| SP1009 | + | + | + | ||||||||||
| SP1011 | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||
| SP1012 | + | + | + | ||||||||||
| SP1013 | + | + | + | ||||||||||
| SP1014 | + | + | + | ||||||||||
| SP1015 | + | + | + | ||||||||||
| SP1020 | + | + | + | + | |||||||||
| SP1021 | + | + | + | ||||||||||
| SP1026 | + | + |
Рассмотрим в качестве примера организацию защиты наиболее популярных интерфейсов и приложений.
Организация защиты интерфейса RS-232
Этот интерфейс является достаточно гибким и может быть реализован различными способами. В классическом полном варианте он представляет собой шестипроводную шину с частотой передачи данных до 20 кбайт/с и биполярным уровнем сигналов с диапазоном до ±24 В. Однако в большинстве случаев используются уровни сигналов ±12 В. Существуют также и однополярные реализации с напряжениями 0…3,3 и 0…5 В.
В зависимости от уровней сигналов конкретной реализации выбираются и защитные диоды или сборки.
Если для RS-232 используются биполярные сигналы, то идеальным способом защиты станут двунаправленные ESD-сборки серии SDxxC. К примеру, если уровень сигналов составляет ±24 В, то стоит остановить свой выбор на SD24C-01FTG. Если используются сигналы ±12 В, то логично применять SD12C-01FTG (рисунок 5).
При однополярной реализации RS-232 удобно для защиты использовать многоканальные сборки SP05xx. Например, для шестипроводной шины потребуется три SP0502BAHTG (рисунок 5).
Рис. 5. Использование ESD-сборки SP0502BAHTG для защиты RS-232
Организация защиты интерфейса LIN
Рис. 6. Использование SD24C-01FT G для защиты устройства, подключенного к LIN-шине
Интерфейс LIN (Local Interconnect Network) изначально разрабатывался для создания дешевого и простого способа обмена данными между интеллектуальными блоками автомобиля. LIN до сих пор широко распространен, несмотря на наличие таких более скоростных шин, как CAN.
C физической точки зрения LIN представляет собой однопроводную сеть с одним мастером и несколькими ведомыми устройствами. Уровень сигналов LIN определяется напряжением бортовой сети автомобиля. То есть штатное пиковое значение для легковой машины будет лежать в диапазоне 9…15 В.
Таким образом, для защиты устройства, подключенного к шине LIN, будет достаточно одного мощного TVS-диода или сборки. В данном случае идеальным решением будет выбор компактной двунаправленной сборки SD24C-01FTG (рисунок 6).
Организация защиты устройств, подключенных к шине CAN
Изначально сетевой протокол CAN разрабатывался для использования в автомобильных приложениях. Однако он оказался столь удачным, что сейчас применяется и в промышленности, и в военной сфере, и в приборостроении.
Чаще всего CAN реализуется в виде двухпроводной шины, к которой подключаются узлы сети. Уровень сигналов может быть различным, но обычно используют диапазон 0…5 В с защитой от выбросов более 24 В.
Для защиты устройств, подключенных к шине CAN, можно использовать специализированные ESD-сборки, такие как SM24CANA-02HTG или SM24CANB-02HTG. При этом получается весьма малогабаритное решение, так как обе сборки объединяют в одном корпусе по два двунаправленных TVS-диода (рисунок 7). Рабочее напряжение для SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG составляет 24 В.
Защита может быть организована и с помощью пары более мощных одноканальных TVS-диодов, например SD36C-01FTG (рисунок 7).
Рис. 7. Использование SD36C-01FT G для защиты устройства, подключенного к CAN-шине
Организация защиты устройств, подключенных к шине RS-485/422
Рис. 8. Использование SP1001-02JTG для защиты устройства, подключенного к шине RS-485
Интерфейс RS-485 является одним из наиболее популярных из-за простоты реализации. Он применяется в самых различных областях электроники. Для создания такого канала потребуется всего лишь приемопередатчик и один UART, который присутствует в составе практически любого контроллера.
Наиболее часто RS-485/422 реализуется в виде дифференциальной двухпроводной шины, к которой подключаются приемопередатчики. Для полнодуплексной передачи необходима четырехпроводная шина (два дифференциальных канала).
Для передачи данных, как правило, используются сигналы с диапазоном 0…6 В, но большинство приемопередатчиков имеет встроенную защиту от напряжений +7/-12 В или даже выше.
Для дополнительной защиты приемопередатчика с однополярным питанием от статических разрядов можно использовать многоканальные ESD-сборки SP1001. Например, для защиты стандартной полудуплексной шины подойдет двухканальная сборка SP1001-02JTG в миниатюрном корпусе SC70 (рисунок 8).
Организация защиты SIM-контроллера
Интерфейс с SIM-контроллером организуется с помощью трех сигнальных линий. При этом используется стандартный логический уровень сигналов.
Для создания наиболее компактного и бюджетного решения следует использовать многоканальные сборки. В данном случае удобны в применении SP1001-04JTG или SP0503BAHTG (рисунок 9).
Защита клавиатуры и кнопок
Опрос кнопок происходит с помощью портов ввода-вывода контроллера, поэтому уровень используемых сигналов соответствует напряжению логики.
Если требуется защитить индивидуальные кнопки – логично использовать одноканальные TVS, например, SD05C-01FTG.
Для защиты нескольких кнопок или клавиатур лучше использовать многоканальные сборки. Например, для пятиканальных клавиатур идеально подойдут SP1001-05JTG и SP0505BAHTG (рисунок 10).
 |  |
| Рис. 9. Использование SP0503BAHTG для защиты SIM-контроллера | Рис. 10. Использование SP1001-05JTG и SP0505BAHTG для защиты клавиатуры |
Заключение
При создании электронных устройств важно обеспечить их защиту от помех и статических разрядов. Очень часто эта задача решается за счет использования недорогих и малогабаритных ESD-сборок. Компания Littelfuse представляет сборки TVS-диодов трех групп: сборки для низковольтных цепей, сборки для высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности.
Сборки для низковольтных приложений производства компании Littelfuse позволяют обеспечить защиту электроники в соответствии с самыми жесткими требованиями МЭК 61000-4-2. При этом они отличаются разнообразием конфигураций и корпусных исполнений.
Благодаря своей универсальности сборки этой группы способны защищать цифровые порты ввода/вывода, аналоговые цепи и низкочастотные интерфейсы RS-232, LIN, CAN, RS-485/422.
Литература
SP05: TVS-сборки Littelfuse для защиты от ESD уровня ±30 кВ
Кремниевые защитные сборки SPA® (Silicon Protection Array) производства компании Littelfuse представляют собой интегрированную структуру на основе нескольких TVS-диодов в одном корпусе. Данные сборки предназначены для защиты электроники от очень быстрых и высоковольтных разрядов с крутым фронтом, вызванных последствиями молний или электростатических разрядов (ESD). Они представляют собой идеальное решение для защиты чувствительных линий интерфейсов, цифровых и аналоговых сигналов уровня 5 В в промышленной и потребительской электронике. Серия сборок SP05 семейства SPA® представляет собой 2-, 3-, 4-, 5 и 6-канальные матрицы TVS-диодов, выполненные в миниатюрных SMD-корпусах SOT23 3, SC70 3, SOT143 4, SOT23 5, SC70 5, SOT23 6, SC70 6 и MSOP 8. Данные сборки предназначены для защиты от ESD уровня ±30 кВ и обеспечивают соответствие требованиям следующих стандартов:
• IEC 61000-4-2, контактный разряд до30 кВ (уровень 4);
• IEC 61000-4-2, воздушный разряд до 30 кВ (уровень 4);
• MIL STD 8833015.7 до 30 кВ
Входная емкость сборок SP05 не превышает 30 пФ, что позволяет относить их к классу низкоемкоcтных защитных компонентов. Основное применение данной серии – это защита низковольтных интерфейсов I/O, аналоговых аудио- и видеосигналов, линий USB 1.1, интерфейсов карт памяти и SIM, LCD-дисплеев, а также кнопочных и клавиатурных шин. Рабочее напряжение на каждой из защищаемых линий рассчитано на уровень 5 В. Из отличительных особенностей серии SP05 можно выделить малые значения токов утечки (
