La Protezione da ESD

[iscritti estratto=500] La maggioranza degli utenti di solito ignora che sono loro stessi a rappresentare il rischio maggiore per i dispositivi elettronici che svolgono un ruolo fondamentale nelle loro vite. La protezione dei circuiti è impiegata in ogni dispositivo elettronico: in auto, a casa o sul lavoro. Il tocco umano su ogni dispositivo contenente semiconduttori elettronici sensibili può essere la causa di un evento ESD (“Electro Static Discharge” o scarica elettrostatica).

Se l’aria è particolarmente asciutta per via di una giornata torrida o gelida, sgusciando da dietro il volante della vostra auto e toccando il metallo dalla portiera può capitare di prendere una forte scossa. Per voi la scossa può essere fastidiosa, ma vi immaginate l’impatto che quello shock avrebbe su apparecchiature elettroniche sensibili? Per esempio, avete mai preso in mano il vostro Smartphone o Tablet PC e scoperto che alcuni tasti o porte dati non funzionano più correttamente? Questi ed altri esempi concreti potrebbero essere la conseguenza diretta della stessa “scossa” trasmessa all’applicazione anziché alla carrozzeria della vostra auto. Gli eventi ESD magari non provocano situazioni disastrose come l’esplosione di un cellulare, ma quando questo non risponde più ai comandi su tastiera o pulsante, allora si fa caso a un’eventuale evento ESD che il nostro dispositivo ha subito in precedenza in assenza di protezioni. Analogamente, una porta di interfaccia (es. USB, Ethernet) potrebbe non funzionare più correttamente quando la si connette ad altri dispositivi a causa di un danno ESD.
Ogni giorno ci possono essere migliaia di scariche elettrostatiche
L’origine di questi eventi ESD è un fenomeno conosciuto come caricamento triboelettrico. Il caricamento triboelettrico avviene quando due materiali vengono in contatto e poi rapidamente si separano. Tra i due materiali si verifica un passaggio di elettroni che fa sì che l’uno assuma una carica positiva e l’altro una carica negativa. L’accumulo di ESD che ne risulta dipende da vari fattori, quali l’area di contatto, la velocità di separazione, l’umidità relativa, la chimica dei materiali, etc. Questo processo si ripete migliaia di volte al giorno, per lo più inavvertitamente, salvo quando la scarica è abbastanza forte da provocare un certo fastidio passeggero (es. camminando su un tappeto o impugnando la maniglia della porta). Le scariche così generate vanno da centinaia di volt a decine di migliaia di volt. Nella Tabella1 si forniscono alcuni esempi di generazione di ESD.

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Tabella 1: Generazione di ESD

 L’esposizione a ESD è un problema serio per le odierne apparecchiature di consumo, sofisticate ma contenute nei costi, a causa delle dimensioni sempre più ridotte del chipset di silicio a livello scheda e, di conseguenza, della geometria risultante mediante la lavorazione dei wafer. Le strutture ESD sono diventate troppo grandi e costose per poter essere integrate nel pacchetto IC di silicio. Pertanto, i fornitori di IC (circuiti integrati) hanno tolto o estremamente ridotto la protezione interna ESD. Comunque, una volta che questi IC sono installati nei prodotti di consumo, possono subire eventi ESD che non sono controllati così bene come negli ambienti di fabbricazione.

Modelli contrapposti
Inoltre, storicamente i produttori di IC si sono serviti di un modello per test ESD (MIL-STD-883, Method 3015: Human Body Model o Modello di Corpo Umano), che fa specifico riferimento ad un ambiente di fabbricazione, mentre i produttori di apparecchiature interessati agli eventi ESD sul campo hanno impiegato un modello più severo, definito dall’IEC (International Electrotechnical Commission), ovvero lo standard IEC 61000-4-2. Ad oggi, la maggioranza dei fornitori di IC testano i loro prodotti a 500V con lo Human Body Model (HBM), mentre i produttori di apparecchiature complete testano a 8000V (e oltre), usando lo standard IEC 61000-4-2.
Nella Tabella 2 un confronto tra le correnti ESD dell’HBM (Human Body Model) usate da molti fornitori di chipset e gli eventi ambientali ESD delineati nello standard IEC 61000-4-2 che molti consumatori inconsapevolmente trasmettono ai loro dispositivi di consumo:

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Tabella 2: Eventi ESD delineati

Come si può vedere, nel peggiore dei casi dell’HBM il livello ESD è di molto inferiore al livello di corrente ESD nel caso peggiore dello standard IEC61000-4-2 (evidenziato in rosso qui sopra). L’evento di 8kV descritto nell’IEC 61000-4-2 ha un aumento di corrente di 5.6x rispetto allo stesso evento di 8kV descritto nell’HBM. Non è garantito che un chipset che sopravvive a un test HBM (test condotto in ambiente di fabbricazione) sopravviva sul campo, dove l’esposizione a ESD è molto più dura. Infine, come precedentemente ricordato, la maggior parte dei fornitori di IC testano solo fino a 500V mediante il Human Body Model e, a confronto con un transiente ESD di 8kV sul campo, il chipset subirà un aumento di corrente di circa cento volte superiore che certamente ne segnerà il destino, a meno che in fase di progettazione non sia stata aggiunta una protezione ESD.
ESD: colmare il divario!
Da vari anni ormai i requisiti dei test sulle applicazioni sono diventati sempre più severi, così che ora un evento ESD di 8kV è il livello più basso generalmente usato. I livelli dei test tendono a spingersi verso 20kV ed anche 30kV, e questo mentre i fornitori di IC hanno continuato a togliere protezione per occupare l’area di silicio con maggiori funzionalità. La Figura 1 mostra il “divario” tra la resistenza ESD dei chipset e il livello di esposizione a ESD delle applicazioni sul campo, e segnala il bisogno crescente di aumentare la protezione ESD.

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Figura 1: Test ESD

Un corretto dispositivo di protezione ESD è vitale
La scelta di un corretto dispositivo di protezione ESD (normalmente indicato come Serie di Diodi TVS) è vitale per assicurare che l’applicazione finale sopravvivrà e continuerà a funzionare come da progetto originale. La resistenza dinamica è un parametro di protezione ESD molto importante, se non il più importante, da considerare quando si sceglie un componente di protezione. Ogni soluzione di protezione ha un valore di resistenza intrinseco legato alla propria caratteristica di bloccaggio. Una soluzione ideale minimizza la resistenza intrinseca così che una soluzione di protezione abbia il percorso a più bassa impedenza verso terra durante un evento di sovratensione. Lo schema rappresentato in Figura 2 descrive la situazione.

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Figura 2: IC con protezione esterna

Durante un evento ESD il dispositivo di bloccaggio si accende o passa dal suo stato nominale di alta impedenza ad uno di bassa impedenza. Se la sua resistenza in serie è alta, lungo il componente si sviluppa alta tensione (V = I*R), fornendo così una protezione meno efficace dell’IC. Se questa resistenza in serie è bassa, la tensione sviluppata lungo il componente di protezione si abbassa e il livello di esposizione all’IC si abbassa di conseguenza. L’abbassamento della resistenza dinamica (valore di resistenza del componente di protezione in modalità di bloccaggio) consente di deviare più corrente di sovratensione lontano dall’IC e verso terra, come illustrato nello stesso schema. Le Serie di Diodi TVS della Littelfuse sono progettati per ottenere il più basso valore di resistenza dinamica, minimizzando così la complessiva caduta di tensione lungo il componente di protezione e massimizzando la corrente che passa attraverso questo, anziché attraverso l’IC protetto.
Il silicio fornisce la migliore protezione ESD
In generale, i dispositivi di protezione al silicio garantiscono la migliore protezione ESD grazie alla loro intrinseca minore resistenza dinamica rispetto a tecnologie concorrenti quali polimeri , ceramica, etc. La resistenza dinamica tipica dei componenti in silicio va da 0,2 a 3? a seconda del fornitore, mentre soluzioni di tipo ceramico (di uguale capacità) offrono in media resistenze dinamiche tra 2? e 5?. La Figura 3 mostra la differenza di energia “passante” tra un componente in silicio e il suo equivalente varistore, quando un transiente ESD di 8kV viene immesso in entrambi i componenti. La differenza di picco (turn-on) e le differenze finali di tensione di bloccaggio sono visibili in questo grafico. La differenza tra le curve (le frecce) è l’energia risultante a cui l’IC o il chipset devono resistere per prevenire danni potenziali o guasti prematuri.

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Figura 3: Silicio vs. Varistori

Soddisfare le esigenze di protezione in conformità con gli standard internazionali
Prodotti elettronici quali TV LCD, smartphone, tablet, lettori di ebook, set top box, console di gioco, macchine fotografiche digitali, lettori audio, ecc., sono all’apparenza illimitati e in continua evoluzione. Nondimeno, in questi dispositivi le porte, o interconnessioni, sono piuttosto comuni e richiedono protezione ESD, dal momento che sono l’interfaccia con il mondo esterno. Pressoché tutti i prodotti di consumo hanno in comune alcune delle seguenti funzioni:
1)         Ingresso/uscita CA
2)         Ingresso/uscita CC
3)         Gruppo batterie
4)         Tastiere/Pulsanti
5)         Segnali video (HDMI, S-video, video composito, modulo LCD)
6)         Uscita audio
7)         Interfaccia a bassa velocità di trasmissione dati (USB1.1, IEEE 1394, RS 232C, RS 485)
8)         Interfaccia ad alta velocità di trasmissione dati (USB2.0, USB3.0, 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT)
9)         Ingresso/uscita CATV/RF
Alcune di queste funzioni devono essere conformi agli standard di sicurezza nazionali, per cui richiedono protezione da sovracorrente e sovratensione. Altre funzioni possono richiedere protezione da fattori ambientali quali ESD, ma anche da fulmini nelle vicinanze o EFT (transitori elettrici veloci) causati da apparecchiature ad alto carico induttivo nelle vicinanze che si accendono e spengono in modo ciclico (es. motori a induzione di potenza medio-alta).
I prodotti che sono collegati direttamente alla presa di corrente CA (da 120 a 250VAC rms) possono essere esposti a sovratensioni transienti (fulmini, commutazioni di carico) e a condizioni di corto circuito e/o sovraccarico. L’alto grado di esposizione richiede una combinazione di componenti da sovracorrente (fusibili oppure fusibili resettabili o PTC) e sovratensione (Varistore in Ossido di Metallo o MOV, Soppressore di tensione o TVS, oppure Serie di diodi TVS). Gli standard che possono richiedere specificamente questa protezione sono:
1)         IE 61000-4-4 (ambiente EFT livello utente)
2)         IEC 61000-4-5 (sovratensioni indotte da fulmini)
3)         IEC/EN 60950-1 (standard di sicurezza)
I prodotti di consumo portatili che contengono un adattatore CA o CC potrebbero subire specifiche minacce ESD e di lieve esposizione ai fulmini che devono essere tenute in conto. Tra gli standard che possono richiedere specificamente questa protezione ci sono:
1)         IEC 61000-4-2 (ambiente ESD livello utente)
2)         IEC 61000-4-5 (sovratensioni indotte da fulmini)
Tastiere o altri pulsanti di interfaccia di tipo manuale possono essere un punto di ingresso per l’energia distruttiva di ESD. Analogamente le linee audio possono esporsi a ESD per via dei collegamenti degli altoparlanti e delle operazioni manuali. Anche i collegamenti per S-video, video composito e HDMI possono essere soggetti a ESD a causa delle manipolazioni alle quali queste parti delle apparecchiature vengono frequentemente sottoposte. Le applicazioni per gruppi batterie subiscono un’analoga esposizione a ESD nonché potenziali condizioni di “sovracorrente incontrollata” contro cui occorre proteggersi (IEC 61960 & IEC 62133 fanno al caso). Linee dati a bassa e ad alta velocità sono esposte a ESD e, a seconda della loro posizione effettiva, possono esserlo anche a sovratensioni indotte da fulmini. Tra gli standard nazionali che normalmente si applicano a questi tipi di applicazioni ci sono:
1)         IEC 61000-4-2 (ambiente ESD livello utente)
2)         IEC 61000-4-5 (sovratensioni indotte da fulmini)
Gli esempi illustrati in Tabella 3 mostrano potenziali soluzioni per ciascuno dei vari tipi di funzione dei prodotti di consumo.

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Tabella 3: Guida alla progettazione della protezione per ESD per collegamenti Analogici e Digitali

Conclusioni
I prodotti di consumo affrontano il rischio crescente di venire danneggiati da sovratensioni transitorie quali ESD (scariche elettrostatiche). Da quando i progettisti di IC (circuiti integrati) cercano di concentrare più funzionalità nei loro chipset, la capacità di sopravvivenza a ESD è diminuita notevolmente, richiedendo l’impiego di componenti esterni di protezione. I produttori di dispositivi li testano in base agli Standard Internazionali IEC61000-4-2 per garantire l’aspettativa di vita dei loro prodotti. Il documento raccomanda la protezione fornita dalle Serie di Diodi TVS. Queste non solo soddisfano i requisiti di ingombro ridotto, ma forniscono anche bassissime tensioni di bloccaggio rispetto a tecnologie concorrenti, riuscendo a salvaguardare i più moderni circuiti integrati. Anche l’esposizione a EFT (transitori elettrici veloci), fulmini nelle vicinanze e potenziali problemi di alimentazione richiedono un’attenzione mirata a soluzioni di protezione da condizioni di sovracorrente e sovratensione. Impiegando le adeguate componenti di protezione da sovracorrente (fusibili oppure fusibili resettabili o PTC) e sovratensione, i produttori possono fare in modo che i loro prodotti siano parte integrante della vita del consumatore. La scelta corretta dei componenti di protezione garantisce anche che le applicazioni siano conformi alle norme corrispondenti per ragioni funzionali e di sicurezza.

Gli Autori
Phillip Havens è Ingegnere Capo alla Littelfuse, a cui contribuisce con vaste conoscenze nel campo dell’ingegneria elettronica. Alla Louisiana Tech University Philip ha ottenuto lauree BSEE e MSEE; professionista abilitato, è in costante contatto con il personale tecnico di molte delle aziende leader nella produzione di elettronica, per sviluppare soluzioni di protezione dei circuiti per le loro specifiche applicazioni. Rappresenta Littelfuse presso associazioni professionali legate alla sicurezza elettronica, alla protezione dei circuiti e alle telecomunicazioni, quali ITU, TIA, ATIS, IEC, IEEE, PEG e STP UL497/60950-1/62368-1. Contribuisce anche a definire, dirigere e sostenere le linee di prodotti di protezione a base di silicio. phavens@littelfuse.com.

Chad Marak è Direttore Technical Marketing e Prodotti a Serie di Diodi TVS nel Dipartimento Semiconduttori di Littelfuse, Inc. Ha il compito di fornire direzione strategica per far crescere la linea di Prodotti a Serie di Diodi TVS e di gestire il team North America FAE. Ha ottenuto una laurea BSEE presso la Texas A&M University e una laurea MSEE presso la Santa Clara University. Da dieci anni lavora nel campo dei semiconduttori; è titolare di quattro brevetti USA. Per contattarlo, scrivere a cmarak@littelfuse.com.

Riferimenti:
Guida alla progettazione della protezione per ESD e Porte – Include le porte d’interfaccia più comuni e i consigli di protezione

Redazione