वायरलेस डिजाइन के लिए ESD सुरक्षा

वायरलेस डिजाइन के लिए ESD सुरक्षा

इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ईएसडी) स्थैतिक विद्युत ऊर्जा की अचानक, अनियंत्रित रिलीज है। विद्युत ऊर्जा का यह निर्वहन संवेदनशील एकीकृत सर्किट को नुकसान पहुंचा सकता है, और वायरलेस सिस्टम डिजाइनरों को ईएसडी के बारे में पता होना चाहिए।

वायरलेस सिस्टम निर्माता सख्त ESD विनिर्देश विकसित कर रहे हैं, जिससे सर्किट बोर्ड डिजाइनरों का कार्य अधिक कठिन हो गया है। विभिन्न ईएसडी मानकों की एक किस्म मौजूद है, जो डिजाइन प्रयास को जटिल बनाती है। हम दो सबसे आम अंतरराष्ट्रीय मानकों पर विचार करते हैं: मानव शरीर मॉडल एचबीएम (ह्यूमनबॉडीमॉडल) और आईईसी1000-4-2। पहला मानक संपर्क स्थितियों का अनुकरण करता है और डिवाइस पर लागू होता है; दूसरे मानक का उपयोग सिस्टम-स्तरीय ESD सुरक्षा के लिए किया जाता है।

वायरलेस डिज़ाइन के लिए ESD सुरक्षा विशेष चुनौतियों का सामना करती है। ईएसडी सुरक्षा के लिए विभिन्न तकनीकें हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने फायदे और नुकसान हैं। हालांकि, वायरलेस डिजाइन, प्रदर्शन, सर्किट स्पेस, वजन, बिजली की खपत और लागत के लिए सभी एकीकृत डायोड सुरक्षा नेटवर्क के उपयोग के पक्ष में हैं।

इसके अलावा, हम चर्चा करेंगे कि सर्वोत्तम ईएसडी सुरक्षा प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए डायोड नेटवर्क को कैसे लागू किया जाए। इष्टतम प्रदर्शन सर्किट बोर्ड के लेआउट से निकटता से संबंधित है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि संवेदनशील एकीकृत सर्किट को नुकसान पहुंचाए बिना ईएसडी धाराएं सुरक्षा उपकरण में प्रवेश कर सकें। इसके अलावा, डायोड सुरक्षा नेटवर्क के उपयोग को सिस्टम की पावर-डाउन समस्या पर ध्यान देना चाहिए। अंत में, डिवाइस के ईएसडी सुरक्षा प्रदर्शन को सिस्टम के सुरक्षा प्रदर्शन से जोड़ने का कोई आसान तरीका नहीं है, लेकिन डिवाइस की सुरक्षा के लिए क्लैंपिंग वोल्टेज निर्दिष्ट करना दोनों को जोड़ने का एक प्रभावी तरीका है।

ESD मानक HBMESD परीक्षण आमतौर पर एकीकृत सर्किट के लिए उपयोग किया जाता है, जबकि IEC1000 सिस्टम के ESD परीक्षण को परिभाषित करता है। दोनों करंट-लिमिटिंग रेसिस्टर्स (चित्र 1) से गुजरने वाले कैपेसिटर के डिस्चार्ज ईएसडी मॉडल का उपयोग करते हैं। अंतर डिवाइस मूल्य के आकार का है। एचबीएम के लिए, संधारित्र मान 100pF है और वर्तमान सीमित अवरोधक 1500Ω है। ध्यान दें कि IEC1000 का पीक डिस्चार्ज करंट समान ESD वोल्टेज के लिए HBM की तुलना में लगभग 5 गुना अधिक है। इसके अलावा, IEC1000 उपकरणों का परीक्षण करने के लिए संपर्क निर्वहन और वायु निर्वहन विधियों का उपयोग करता है। मानक 2kV से 8kV के रूप में संपर्क निर्वहन के ESD वोल्टेज को परिभाषित करता है, और वायु संपर्क 15kV तक पहुंच सकता है। ध्यान दें कि IEC1000 द्वारा निर्दिष्ट वर्तमान वृद्धि समय 1ns से कम है, जिसके लिए सुरक्षा उपकरण (चित्र 2) से बहुत तेज़ प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है। इसी कारण से, सिस्टम के लिए ESD सुरक्षा प्राप्त करने के लिए बोर्ड लेआउट महत्वपूर्ण है।

सुरक्षा विधियाँ यदि IEC1000-4-2 की ESD सुरक्षा आवश्यकताओं को पूरा करना है, तो वायरलेस संचार उपकरण को उचित सुरक्षा की आवश्यकता होती है। उपयोगकर्ता द्वारा स्पर्श किए जाने वाले क्षेत्र, जैसे कि बटन और I/O पोर्ट, ESD के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं और इसलिए सुरक्षा की आवश्यकता होती है। ईएसडी दालों को अवशोषित करने के लिए संचार लाइनों पर कैपेसिटर लगाने की एक सरल तकनीक है, जो सिग्नल दर को कम करती है और ड्राइव की वर्तमान खपत को बढ़ाती है। बोर्ड पर एक स्पार्कगैप का उपयोग किया जा सकता है। स्पार्कगैप को ईएसडी पल्स के दौरान फ्यूज करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और करंट को जमीन में धकेल दिया जाता है। हालांकि, यह तकनीक एक बड़ी जगह लेती है और उम्र बढ़ने के बाद अविश्वसनीय ईएसडी सुरक्षा का कारण बनती है। MOV (मेटलऑक्सीडेविस्टर) उपकरणों को उच्च वोल्टेज पर बंद किया जा सकता है और धीमी प्रतिक्रिया समय वाले अनुप्रयोगों में उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, उनकी भारीपन और बड़ी क्षमता उन्हें सिग्नल लाइनों की सुरक्षा के लिए अनुपयुक्त बनाती है, और एक अतिरिक्त नुकसान उनकी उम्र बढ़ने की विशेषताएं हैं।

जेनर डायोड के लिए, हालांकि किसी दिए गए वोल्टेज पर बड़ी धाराओं को क्लैंप करने में सक्षम, यह परजीवी कैपेसिटेंस उत्पन्न करता है जिसे सिग्नल लाइनों की रक्षा करने की आवश्यकता नहीं होती है। इसके विपरीत, जमीन और बिजली से जुड़े तेज, कम क्षमता वाले डायोड एक अच्छा समाधान हैं। वे बड़े शिखर धाराओं को संभाल सकते हैं, छोटे रिवर्स रिसाव धाराएं हैं, और बिना नुकसान के कई ईएसडी हमलों का सामना कर सकते हैं; यह सफलतापूर्वक ईएसडी दालों को संवेदनशील सुरक्षा उपकरणों से दूर कर देता है और इसकी लंबी उम्र होती है। हालांकि, प्रति गार्ड लाइन में एक डायोड जोड़ी की आवश्यकता होती है। प्रति उपकरण कम कीमत के बावजूद, कुल स्थापना लागत और आवश्यक स्थान विभाजन समाधान को अनुपयुक्त बना देता है।

उदाहरण के लिए, IEEE-1284 समानांतर पोर्ट की सुरक्षा के लिए 17 डायोड जोड़े की आवश्यकता होती है। एक ही पैकेज में डायोड जोड़े की विभिन्न संख्याओं को एकीकृत करने से एक इष्टतम लागत प्रभावी समाधान प्राप्त होता है।

एकीकृत डायोड सुरक्षा नेटवर्क डायोड सरणी का ESD सुरक्षा सिद्धांत बहुत सरल है। बिजली की आपूर्ति और जमीन से जुड़ा एक डायोड जोड़ी संरक्षित सिग्नल लाइन में जोड़ा जाता है। सामान्य ऑपरेशन के दौरान, ये डायोड रिवर्स बायस्ड होते हैं, लेकिन फॉरवर्ड बायस तब होता है जब सिग्नल लाइन पर वोल्टेज संबंधित टर्मिनल पर वोल्टेज की तुलना में क्रमशः अधिक या कम होता है। ईएसडी पल्स के दौरान फॉरवर्ड बायस होता है, जब डायोड बिजली की आपूर्ति या जमीन में करंट खींचता है, संरक्षित डिवाइस को छोड़ देता है, जो केवल एक छोटे वोल्टेज और करंट शॉक के अधीन होता है।

चूंकि एकीकृत सर्किट I/O पिन 2kV HBMESD वोल्टेज का सामना करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, संरक्षित उपकरण इस ऊर्जा का सामना कर सकते हैं, हालांकि यह बाहरी डायोड नेटवर्क पर अधिक कठोर आवश्यकताओं को रखता है। IEC1000-4-2 की विधि के अनुसार, इन नेटवर्कों को 8kV के "संपर्क निर्वहन" का विरोध करने की आवश्यकता है। इसके अलावा, इसके पीछे वोल्टेज को भी दबाना होगा ताकि एकीकृत सर्किट या अन्य निष्क्रिय उपकरण क्षतिग्रस्त न हों। अंत में, सिग्नल के प्रदर्शन को नीचा नहीं करने के लिए, डायोड जोड़ी की कुल समाई 5pF से कम होनी चाहिए।

चूंकि वायरलेस अनुप्रयोगों को आम तौर पर छोटे पदचिह्न पैकेज की आवश्यकता होती है, इसलिए सुरक्षा उपकरणों को एसओटी, एमएसओपी और क्यूएसओपी पैकेज में पैक किया जाना चाहिए, जो अलग समाधान (चित्रा 3) से अधिक प्रतिस्पर्धी हैं।

ईएसडी सुरक्षा का अनुकूलन सर्किट बोर्ड के डिजाइन और स्थापना पर ध्यान देना चाहिए। सबसे पहले, ESD पल्स एंट्री पॉइंट और डायोड प्रोटेक्शन नेटवर्क (चित्र 4) के बीच परजीवी अधिष्ठापन को कम करें। परजीवी अधिष्ठापन ईएसडी पल्स करंट में तेजी से बदलाव का विरोध करेगा, जिससे ईएसडी करंट डायोड नेटवर्क में प्रवेश कर सुरक्षित डिवाइस में प्रवाहित हो सके। इस संबंध में, डिजाइनर को डायोड नेटवर्क को प्रारंभ करनेवाला और संरक्षित डिवाइस के बीच रखना चाहिए, जो दो तरीकों से ईएसडी सुरक्षा प्रदर्शन में सुधार करता है: प्रारंभ करनेवाला वर्तमान में तेजी से बदलाव का विरोध करता है और समय के साथ फैलता है, पीक करंट को कम करता है; ईएसडी दालों को पहले डायोड नेटवर्क से गुजरने के लिए मजबूर किया जाता है, और दालों का केवल एक छोटा सा अंश बाद के उपकरणों में प्रवेश करता है।

वायरलेस एएसडी कीबोर्ड, वायरलेस एएसडी माउस, वायरलेस एएसडी कलाई का पट्टा निम्नलिखित हैं: