Lassen Sie uns über Design für ESD-Immunität sprechen

Einführung

Dieser kurze Artikel richtet sich an diejenigen, die möglicherweise neu auf dem Gebiet der Compliance-Technik sind und ein besseres Verständnis des Prozesses zur Entwicklung von Produkten wünschen, die immun gegen elektrostatische Entladungen (ESD) sind. Einige Personen wissen möglicherweise nicht, wo sie mit dem Designprozess beginnen sollen, oder sind mit den großen Herausforderungen und Problemen nicht vertraut, die mit der Entwicklung eines Produkts verbunden sind, das vollständig immun gegen ESD-Immunitätsereignisse ist. Den Lesern wird empfohlen, diese Informationen als Ausgangspunkt für den Erwerb eigener Kenntnisse zu diesem sehr wichtigen und oft unvermeidlichen Thema zu nutzen.

Hinweis: In diesem Artikel geht es um das Design für die ESD-Immunität und nicht um die Prüfung der ESD-Immunität. In Referenz 1 finden Sie einen kurzen Artikel über ESD-Tests und die Verwendung von ESD-Simulatoren. ESD-Immunitätstests werden in Standards wie IEC 61000-4-2, MIL-STD-461G CS118, ISO 10605, ANSI C63.16 und RTCA/DO-160 vollständig beschrieben.

Zeitpunkt der Entwicklung eines ESD-immunen Produkts

Obwohl dies nicht immer möglich ist, ist es äußerst wichtig, das Design für ESD-Immunität und ESD-Schutz als Teil der frühen Designarbeit in der Produktentwicklung zu berücksichtigen. Am Ende des Produktentwicklungszyklus sind Schlüsselelemente des Designs, einschließlich des Erdungsschemas, des Gehäusedesigns, der Leiterplatten-Layouts (PCB), der Software-/Firmware-Struktur und der Produktionsanforderungen, bereits festgelegt. Es ist viel einfacher, effektiver und kostengünstiger, wenn Lösungen für zu erwartende ESD-Probleme zu Beginn des Produktentwicklungszyklus implementiert werden, während das Design noch im Fluss ist, und nicht erst am Ende des Projekts hinzugefügt werden. Die Bewältigung von ESD-Problemen folgt häufig einem Ansatz auf Systemebene. Wenn also der Großteil des Systems bereits in Stein gemeißelt ist, sind die praktischsten Lösungen, die dem Designer zur Verfügung stehen, seltener, weniger praktisch, komplizierter und viel schwieriger umzusetzen.

Profi-Tipp: Wenn Sie versuchen, ein lärmbedingtes Problem zu lösen oder einen Immunitäts- oder Emissionstest jeglicher Art auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu bestehen, ist die frühzeitige Umsetzung der praktischsten und einfachsten Lösungen in der Regel der Schlüssel zum Erfolg. Beginnen Sie so früh wie möglich mit dem Designprozess. Verkürzen Sie die Design-Feedbackschleife, indem Sie EMV-/ESD-Tests durchführen, sobald funktionsfähige Prototypen verfügbar sind.

Grundlegendes Design für ESD-Immunitätsrichtlinien

Der oben erwähnte systemweite Ansatz ist möglicherweise nicht die einzige Möglichkeit, ESD-Probleme zu verhindern und zu mildern. Erfahrungsgemäß hat es sich jedoch als die effektivste Methode erwiesen. Durch die Befolgung dieses Ansatzes und der folgenden Richtlinien wird sichergestellt, dass jedes Design seine ESD-Immunitätsanforderungen erfüllen kann. Beachten Sie, dass aufgrund spezifischer Designbeschränkungen für ein bestimmtes Produkt nicht alle in diesem Artikel beschriebenen Richtlinien zu 100 % umgesetzt werden können. Diese Designbeschränkungen variieren von Produkt zu Produkt und von Unternehmen zu Unternehmen. Es ist Sache des Konstrukteurs, die beste Kombination von Methoden zur Erzielung der ESD-Immunität für jedes spezifische Produkt und jede spezifische Situation zu finden. Eine Designbeschränkung kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Kunde bereits festgelegt hat, dass nur ungeschirmte Kabel verwendet werden dürfen. Daher können Sie in Ihrer Lösung keine abgeschirmten Kabel verwenden, die sicherstellen, dass das Produkt immun gegen ESD-Ereignisse ist. Eine weitere Designbeschränkung könnte darin bestehen, dass ein Metallgehäuse verwendet werden muss. In dieser Situation müssen Sie eine Möglichkeit finden, den Weg des ESD-Stroms zu kontrollieren, um zu verhindern, dass er in das Gehäuse gelangt.

Verhindern Sie das Eindringen von Entladungen

Der erste Teil des ESD-Designs auf Systemebene besteht darin, das Eindringen der ESD-Entladung in das Gehäuse zu verhindern. Es ist am besten, aber nicht immer möglich, das Auftreten eines ESD-Ereignisses von vornherein zu verhindern. Dies sollte eine einfache Aufgabe sein, wenn Ihr Produkt in einem nichtmetallischen/Kunststoffgehäuse enthalten ist.

Profi-Tipp:Auch wenn die Bildung eines ESD-Lichtbogens unmöglich ist, könnte das Produkt dennoch anfällig für ESD-Ereignisse in der Nähe sein und die anderen unten beschriebenen Richtlinien sollten befolgt werden.

Wer sich den Luxus eines Kunststoffgehäuses nicht leisten kann, muss sich etwas Zeit nehmen und über andere Methoden nachdenken, mit denen er steuern kann, wie sein Produkt auf ein ESD-Ereignis reagiert und wie er den Weg des ESD-Stroms am besten steuern kann, damit er reagiert Betreten Sie das Gehege nicht.

Alle ungeschirmten Kabel, die in Ihr Gerät ein- oder ausgehen, sollten an jedem Leiter einen Überspannungsschutz aufweisen. Geräte wie transiente Spannungsunterdrückungsdioden (TVSs), die in jeder Leitung angebracht sind, sind nützlich, um Energie von kritischen Schaltkreisen abzuleiten. Achten Sie beim Aufstellen dieser Geräte darauf, ordnungsgemäße Erdungstechniken einzuhalten und vermeiden Sie die Verwendung langer Leitungslängen für die Anschlüsse. Zuleitungsdrähte haben eine Induktivität von etwa 10 nH/cm (25 nH/Zoll) und werden, wenn sie zu lang sind, im Wesentlichen zu offenen Schaltkreisen für den ESD-Impuls. Ich wurde schon öfter gebissen, als ich zugeben möchte, weil ich Zuleitungen zuließ, die für die Anwendung zu lang waren und es dem ESD-Impuls ermöglichten, die Schutzelemente zu umgehen.

Montieren Sie die Entstörer oder andere Filtergeräte (z. B. Kondensatoren) so nah wie möglich am Kabeleintrittspunkt zum Gehäuse, um sicherzustellen, dass der ESD-Strom zum Metallgehäuse und von den darin befindlichen kritischen Schaltkreisen weggeleitet wird. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass der ESD-Strompfad abgeleitet wird, lange bevor er die Möglichkeit hat, Störungen oder Schäden an kritischen Schaltkreisen weiter im Gehäuse zu verursachen.

Profi-Tipp: Verbinden Sie die Schutzelemente nicht mit der Signalerde. Befestigen Sie sie an der Karosseriemasse. Wenn dies nicht möglich ist, begrenzen Sie den Strom mit Widerständen oder Ferriten und/oder fügen Sie eine separate Metallplatte als ESD-Erdung für die Schutzelemente hinzu.

Verwenden Sie nach Möglichkeit ausreichend geschirmte Kabel. Verwenden Sie einen Endgehäusestecker aus Metall und stellen Sie sicher, dass er eine vollständige 360°-Verbindung um die interne Kabelabschirmung bildet. Ein vollständiger Kontakt zwischen Schirm und Gehäuse ist unbedingt erforderlich. Vermeiden Sie die Verwendung des berüchtigten „Pigtail“-Kabelschirmanschlusses. Bei der Frequenz des typischen ESD-Impulses (~ 300 MHz; siehe Hinweis unten) enthält die Pigtail-Verbindung viel zu viel Induktivität (~ 10 nH/cm), um effektiv zu sein.

Hinweis: Der typische ESD-Impuls hat eine Anstiegszeit (tr) in Nanosekunden, die EMI im Frequenzbereich von Hunderten von MHz entspricht (f(MHz) = 1/πtr).

Profi-Tipp: Warten Sie nicht bis zur abschließenden Konformitätsprüfung, um das abgeschirmte Kabel zu überprüfen, um sicherzustellen, dass es den Abschirmungsspezifikationen entspricht. Zerlegen Sie einen Prototypen und prüfen Sie ihn, sobald einer verfügbar ist. Planen Sie mehrere Iterationen ein, bis das Kabel fertig ist, das die oben genannten Abschirmungsanforderungen vollständig erfüllt.

Stellen Sie beim Gehäuse selbst sicher, dass Schlitze oder Nähte die ESD-Abschirmung nicht zerstören, indem Sie deren längste Abmessung auf 1/20 einer Wellenlänge bei der höchsten bedenklichen Frequenz (~ 300 MHz) begrenzen. Als Faustregel gilt, dass ein Schlitz von weniger als 5 cm (2 Zoll) eine Dämpfung von etwa 20 dB bietet und ein Schlitz von weniger als 5 mm (0,2 Zoll) etwa 40 dB. Bei Bedarf Schlitze und Nähte mit leitfähigem Dichtungsmaterial abdichten.

Profi-Tipp: Löcher in einer Abschirmung können auch leicht ESD-Energie in das Gehäuse transportieren und dort zu Schäden oder Störungen an den darin befindlichen empfindlichen Schaltkreisen führen. Um unerwünschte Kopplungen zu verhindern, stellen Sie sicher, dass alle internen Kabel und Schaltkreise mindestens 5 cm (2 Zoll) von Schlitzen, Nähten oder Öffnungen im Gehäuse entfernt sind.

Um eine gute ESD-Störfestigkeit bei Verwendung eines Metall- oder metallisierten Gehäuses zu erreichen, sind nur 20 bis 40 dB Abschirmung erforderlich. Sehr oft reicht dünnes Abschirmmaterial aus. Aluminiumfolie sorgt für eine Dämpfung von mehr als 100 dB, Metallbeschichtungen für mindestens 40 dB und Vakuumbeschichtung/stromlose Abscheidung sind für etwa 80 dB bei der Frequenz des ESD-Impulses geeignet.

Empfindliche Schaltkreise härten

Der nächste Teil des Ansatzes auf Systemebene besteht darin, nach Möglichkeiten zu suchen, ESD-Schutz bereitzustellen und empfindliche Schaltkreise im Produkt zu härten. Platzieren Sie Filter auf kritischen internen Leitungen wie Resets, Interrupts und Steuerleitungen. Ein typischer Tiefpassfilter, der in dieser Anwendung verwendet wird, besteht aus einem RC-Netzwerk mit einem Widerstand von 50 bis 100 Ω und einer Kapazität von 100 bis 1000 pF. Anstelle des Widerstands kann eine entsprechend spezifizierte Ferritperle verwendet werden. Vermeiden Sie direkte Verbindungen von integrierten Schaltkreisen zu exponierten externen Punkten. ESD findet seinen Weg zu diesen Schwachstellen und ruiniert Ihren Tag!

Profi-Tipp: Verwenden Sie TVSs wie zuvor erwähnt. Stellen Sie sicher, dass sie schnell genug sind, um den ESD-Impuls mit schneller Anstiegszeit zu unterdrücken, aber auch nicht so viel Kapazität enthalten, dass sie die Funktionalität der Kommunikationsschaltkreise, in denen sie schützen, negativ beeinflussen. Überprüfen Sie außerdem, ob ihre Strombelastbarkeit dem Hochstrom-ESD-Impuls standhält. Überprüfen Sie das Datenblatt auf diese Informationen.

Halten Sie die Schleifenbereiche klein

Erwägen Sie die Verwendung mehrschichtiger Leiterplatten zur Steuerung von Schleifenbereichen. Mehrschichtige Leiterplatten sind zehn- bis hundertmal immun gegen ESD-Ereignisse als zweischichtige Leiterplatten. Die größeren Schleifenbereiche, die sich leicht entwickeln lassen, wenn Leiterbahnen auf zweischichtigen Platinen platziert werden, fungieren als Empfangsantennen für die durch ESD-Ereignisse erzeugten Felder. Wenn die Ebenen auf einer Mehrschichtplatine richtig gestapelt sind, ist es möglich, die in einer nahegelegenen Ebene induzierten Gegenströme zu nutzen, um die Felder der Ebene oder Leiterbahn, die einem ESD-Ereignis ausgesetzt ist, aufzuheben.

Profi-Tipp: Verwenden Sie auch mehrschichtige Boards, wenn Sie vermuten, dass Bodensprünge ebenfalls ein Problem darstellen könnten. Die niedrigeren Erdungsimpedanzen, die bei der Verwendung von Mehrschichtplatinen erreicht werden, führen zu einer deutlichen Reduzierung der Erdungssprungspannungen und einem Produkt mit höherer ESD-Festigkeit.

Schreiben Sie transiente gehärtete Software/Firmware

Planen Sie das Unerwartete ein und beziehen Sie rauschtolerante Software/Firmware (SW/FW) in Ihren Entwurf für einen ESD-Immunitätsplan ein. Dies ist ein Bereich, den diejenigen von uns, die eher auf Hardware ausgerichtet sind, oft vergessen, ihn zu nutzen. Hardware-Ingenieure neigen eher dazu, jedes Problem mit der Hardware zu beheben und alles zu ignorieren, was mit SW/FW zu tun hat. Obwohl das Schreiben transient gehärteter SW/FW bei Problemen mit ESD-Schäden nicht funktioniert, sollte die mögliche Verwendung von SW/FW als praktikable ESD-Schutzmethode nicht übersehen werden. Daher müssen wir davon ausgehen, dass ESD früher oder später das System stören wird und eine Art Wiederherstellung erforderlich ist. Das Ziel des Wiederherstellungsprozesses sollte eine ordnungsgemäße Verschlechterung und kein völliger Systemabsturz sein und ein vollständiges Aus- und Wiedereinschalten des Stroms erforderlich sein, um den ordnungsgemäßen Betrieb wiederherzustellen. Ein Teil dieser sanften Wiederherstellung umfasst die Entwicklung von „Watchdog“-Routinen, die ein Produkt neu starten, falls der Prozessor hängen bleibt.

Profi-Tipp:Erwägen Sie auch die Verwendung von Paritätsbits, Prüfsummen oder Fehlerkorrekturcodes, um die Speicherung fehlerhafter Daten bei ESD-Ereignissen zu verhindern.

Abschluss

Oben wurde ein Entwurf für den Immunitätsprozess auf Systemebene beschrieben. Viele der vorgestellten Techniken zur ESD-Immunität sind identisch mit denen, die für eine erhöhte Immunität gegen andere Formen transienter Ereignisse verwendet werden, wie z. B. elektrische schnelle transiente Bursts und Immunität gegen abgestrahlte und leitungsgebundene HF. Bei korrekter Verwendung tragen dieselben Designelemente dazu bei, dass das Produkt sowohl die Strahlungs- als auch die leitungsgebundene HF-Emissionsprüfung besteht. Auf der Grundlage des oben Gesagten ist jede weitere Forschung und Studie zum Thema Design für ESD-Immunität den zusätzlichen Zeit- und Arbeitsaufwand wert.

Profi-Tipp: Von allen verschiedenen Immunitätstests ist der ESD-Immunitätstest einer der am einfachsten und am schnellsten durchzuführenden Tests. Der Impuls mit schneller Anstiegszeit erzeugt ein ziemlich störendes EMI-Ereignis, das viele Schwachstellen im Design aufdeckt. Da es sich um einen so schnellen und harten Immunitätstest handelt, sollte er einer der ersten EMV-Tests sein, die im Rahmen des Produktentwicklungsprozesses durchgeführt werden. Es ist nicht 100 % sicher, aber wenn Ihr Design die ESD-Störfestigkeitsprüfung besteht, besteht eine größere Chance, dass es auch die meisten anderen EMV-Prüfungen besteht.

Verweise

Don Macarthuresdesd ImmunitätProdukteinblicke

Don MacArthur ist Gastautor des In Compliance Magazine. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in den Bereichen Produktentwicklung, EMV, Tests und Einhaltung der Produktsicherheit. Er hat Produkte für militärische, kommerzielle und industrielle Anwendungen entwickelt.

Der ESD-Schutz ist für viele Gerätetypen sehr wichtig. Heutige Komponenten und Baugruppen sind effizienter und kleiner als je zuvor. Außerdem sind sie viel empfindlicher und empfindlicher gegenüber statischer Elektrizität. Selbst eine winzige Ladung Elektrizität – eine, die man nicht sehen, hören oder fühlen kann – ist für Komponenten und Baugruppen so schädlich wie ein Blitz. Than Nguyenhttps://www.protectivepackaging.net/static-shielding-esd-protection

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