Bảo vệ ESD trong EMC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ □□ BÀI TẬP LỚN Bảo vệ ESD trong bài toán EMC Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Việt Sơn Nhóm 10 Danh sách thành viên Hà Nội, T62022 Mục lục DANH MỤC.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ □□ BÀI TẬP LỚN Bảo vệ ESD toán EMC Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Sơn Nhóm: 10 Danh sách thành viên: Hà Nội, T6/2022 Mục lục DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG - TỔNG QUAN Giới thiệu .4 Định nghĩa .4 Q trình phóng tĩnh điện 4 Khả phóng tĩnh điện ảnh hưởng ESD 5 Vị trí bảo vệ ESD EMC CHƯƠNG – BẢO VỆ ESD TRONG BÀI TOÁN EMC 2.1 Mơ hình thể người 2.2 Ngăn chặn xâm nhập ESD .8 2.2.1 Vỏ kim loại: 2.2.2 Xử lý cáp vào/ra 10 2.2.3 Vỏ bọc cách điện .14 2.2.4 Bàn phím bảng điều khiển 16 2.3 Bảo vệ mạch nhạy cảm 16 2.4 Nối đất ESD .17 2.5 Thiết bị không nối đất .18 2.6 Phần mềm chống lại nhiễu ESD 18 2.6.1 Phát lỗi luồng chương trình 19 2.6.2 Phát lỗi đầu vào / đầu 20 2.6.3 Phát lỗi nhớ 20 CHƯƠNG - LIÊN HỆ THỰC TẾ .21 3.1 Tiêu chuẩn ESD 21 3.2 Những thương hiệu ESD tiếng 21 3.3 Các đồ dùng/thiết bị khử tính điện phổ biến 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 CHƯƠNG - Tổng quan Giới thiệu Tĩnh điện quen thuộc với tất điện bám vào quần áo, phóng điện hồ quang xảy chạm vào tay nắm cửa vật thể kim loại khác, tia sét Điện tĩnh người Hy Lạp cổ đại biết đến 2000 năm trước Vào thời trung cổ, pháp sư sử dụng hiệu ứng tĩnh điện phần '' thủ thuật '' họ Trong thời đại chúng ta, tĩnh điện khai thác để thực nhiều chức hữu ích Ví dụ sản phẩm sử dụng nguyên tắc máy photocopy tĩnh điện, máy lọc bụi, máy lọc khơng khí máy phun sơn tĩnh điện Định nghĩa Tĩnh điện cân điện tích âm điện tích dương mặt vật Phóng tĩnh điện (Electrostatic discharge – ESD) tượng điện tích tĩnh điện tích tụ vật thể đột ngột phóng điện sang vật thể khác có điện trở đất thấp Sự chuyển dịch điện tích đột ngột vật thể có điện tĩnh điện khác với dịng phóng điện kết tạo trường điện từ dải tần số rộng từ đến vài gigahertz Quá trình phóng tĩnh điện Tĩnh điện tạo theo nhiều cách khác cảm ứng, hiệu ứng áp điện, …, phổ biến tiếp xúc phân tách vật liệu sau Vật liệu chất rắn, chất lỏng chất khí Khi hai chất không dẫn điện (chất cách điện) tiếp xúc với nhau, số điện tích (electron) chuyển từ vật liệu sang vật liệu Bởi electron không di động nhiều chất cách điện, hai vật liệu tách rời nhau, điện tích không quay trở lại vật liệu ban đầu Nếu hai vật liệu ban đầu trung tính, chúng tích điện, dương âm Phương pháp tạo tĩnh điện gọi ma sát tĩnh điện (Triboelectric) Ma sát tĩnh điện Tĩnh điện tạo tiếp xúc cọ xát hai vật liệu có số điện mơi khác Cơ chế gọi ma sát tĩnh điện - dịch chuyển electron ion tiếp xúc Trong trình này, m ột số vật liệu dễ dàng hấp thụ electron, vật liệu khác có xu hướng cho electron cách dễ dàng Khi hai vật liệu tiếp xúc với nhau, electron chuyển từ vật liệu dễ cho electron sang vật liệu dễ nhận electron Khả nhường electron vật liệu thể bảng 15-1 Khi hai vật liệu bảng tiếp xúc với nhau, vật gần đầu dãy nhận điện tích dương, vật gần cuối dãy nhận điện tích âm Các vật liệu dãy xa độ lớn điện tích tĩnh lớn Khả tích điện khơng phụ thuộc vào vị trí vật liệu danh sách mà phụ thuộc vào, độ mịn bề mặt độ bề mặt, áp suất tiếp xúc, lượng cọ xát, diện tích bề mặt tiếp xúc, độ nhẵn bề mặt tốc độ phân tách Một điện tích tạo hai mảnh vật liệu tiếp xúc sau tách ra, trường hợp này, khơng thể dự đốn hai phần nhận điện tích dương điện tích âm Tích điện cảm ứng tĩnh điện Cảm ứng cảm ứng tĩnh điện khiến phận thể người vật dụng khác bị tích điện khác Nếu vật tích điện (ví dụ, mặt ống tia âm cực) đưa đến gần vật khác, phân cực điện tích vật vật khơng dẫn (chất cách điện) phân bố lại điện tích vật vật dẫn điện Do đó, vật thể trung hịa điện, điện tích phân bố khơng đồng đều, tạo ESD từ phận người thể Khả phóng tĩnh điện ảnh hưởng ESD Điện tích đo phương pháp coulombs, khó đo Do đó, thường đề cập đến điện (đo vôn) vật thể, điện tích Mối quan hệ điện tích, hiệu điện điện dung là: Khi vật tách biệt mặt vật lý, phân tách điện tích dẫn đến tạo điện trường E chúng Nếu trường E đủ mạnh, xảy đánh thủng điện áp vật liệu; điều dẫn đến đánh thủng mơi trường chúng, gây hồ quang hiệu ứng điện từ liên quan Khi hai vật liệu tách ra, điện tích Q cố định Do đó, V.C số Khi vật liệu gần nhau, điện dung lớn nên điện áp thấp Khi vật liệu tách ra, điện dung giảm điện áp tăng Do đó, khoảng cách định xảy tượng phóng điện Ví dụ: C = 10 pF, Q = pC => V = Q / C = l0^9 KV Khi với giá trị d - khoảng cách ly định, mơi trường khơng khí xen vào bị phóng điện với cường độ điện trường đánh thủng khơng khí 30 MV / m 30 KV / cm Tĩnh điện tượng bề mặt Điện tích tĩnh tồn bề mặt vật liệu không tồn bên chúng Điện tích chất cách điện nằm vùng mà tạo không phân bổ vật liệu toàn bề mặt vật liệu Nối đất chất cách điện khơng loại bỏ điện tích Tuy nhiên, không giống chất cách điện, vật dẫn tích điện điện tích nối đất Phóng tĩnh điện thường q trình ba bước sau: Trên vật cách điện sinh điện tích Điện tích chuyển đến vật dẫn cách tiếp xúc cảm ứng Vật dẫn tích điện đến gần vật kim loại thường nối đất xảy tượng phóng điện Ví dụ: người ngang qua thảm, đế giày họ (chất cách điện) bị tích điện chúng tiếp xúc tách khỏi thảm Điện tích sau chuyển đến thể người (một vật dẫn điện) thường cảm ứng Nếu người sau chạm vào vật kim loại (có nối đất khơng), tượng phóng điện xảy Khi phóng điện xảy vật khơng bao bọc (ví dụ: tay nắm cửa), dịng phóng điện chạy qua điện dung vật mặt đất Bản thân chất cách điện tích điện khơng trực tiếp mối đe dọa ESD Vì điện tích chất cách điện khơng di chuyển tự nên khơng thể tạo phóng điện tĩnh Nhưng rủi ro đến từ chất cách điện tích điện đến từ khả tạo điện tích, thường cảm ứng, lên vật dẫn điện, chẳng hạn người, vật dẫn có khả phóng điện Ngồi ứng dụng hữu ích thực tế việc phóng tĩnh điện khơng kiểm sốt (ESD) trở thành mối nguy hiểm đến ngành công nghiệp điện tử Kể từ đầu năm 1960, người ta cơng nhận nhiều mạch tích hợp (IC), chất bán dẫn oxit kim loại (MOS), phận điện rời rạc điện trở film tụ điện, tinh thể dễ bị hư hại phóng tĩnh điện Chúng ảnh hưởng đến thiết bị điện theo nhiều cách khác nhau: trường điện từ cường độ cao tích điện, đánh thủng dịng phóng điện gây phát xạ dẫn xạ ESD gây trục trặc thiết bị dạng hỏng liệu khóa thiết bị thiệt hại vật chất dạng hư hỏng thiết bị Khi thiết bị điện tử trở nên nhỏ hơn, nhanh hoạt động điện áp thấp hơn, độ nhạy cảm với ESD chúng tăng lên Ví dụ mạch linh kiện tích hợp bán dẫn đặc biệt dễ bị ảnh hưởng ESD Kiểm soát ESD trường hợp đặc biệt đối tượng tổng thể EMC Do đó, giai đoạn thiết kế, điều quan trọng phải cung cấp khả miễn nhiễm ESD, nhiều kỹ thuật sử dụng để giảm tính nhạy cảm hệ thống ESD tương tự kỹ thuật sử dụng để cung cấp khả chống nhiễu kiểm soát phát xạ xạ Vị trí bảo vệ ESD EMC Bảo vệ ESD phải phần thiết kế hệ thống ban đầu Bảo vệ ESD EMC cần giải vấn đề: Chống nhiễu đầu vào: Thiết kế vỏ triệt tiêu nhiễu bên ngoài, chắn điện từ cung cấp bảo vệ điểm nối đầu vào  Chống nhiễu phần cứng: Reset, ngắt  Chống nhiễu phần mềm cách viết phần mềm có khả sữa chữa phát lỗi ở: Luồng chương trình, liệu vào ra, nhớ Một mạch hệ thống bảo vệ khỏi phóng điện tĩnh cách:   Loại bỏ nhiễu tích tụ nguồn  Cách điện sản phẩm để ngăn chặn phóng điện  Cung cấp đường dẫn thay cho dòng phóng điện để vượt qua mạch nhạy cảm  Che chắn mạch khỏi điện trường phóng đện tạo  Giảm diện tích vịng lặp để bảo vệ mạch khỏi từ trường tạo phóng điện Các hiệu ứng ESD gây hệ thống điện tử chia thành ba loại sau:    Lỗi phần cứng Lỗi phần mềm Gây nhiễu Các lỗi phần cứng gây thiệt hại thực tế đến phần cứng hệ thống (phá hủy vi mạch) Lỗi phần mềm ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống (bit nhớ bị thay đổi khóa chương trình) khơng gây thiệt hại vật lý Nhiễu không gây lỗi, ảnh hưởng cảm nhận (Thay đổi số đọc hình giây lát) Tiêu chí Liên minh Châu Âu lỗi ESD sau: Thiết bị phải tiếp tục hoạt động dự kiến sau thử nghiệm Không phép suy giảm hiệu suất chức Tuy nhiên, trình thử nghiệm, suy giảm hiệu suất phép Không cho phép thay đổi trạng thái hoạt động thực tế liệu lưu trữ Nói cách khác, bảo vệ ESD cho phép có nhiễu thời, khơng gây lỗi (lỗi phần cứng phần mềm lên hệ thống) CHƯƠNG – BẢO VỆ ESD TRONG BÀI TỐN EMC 2.1 Mơ hình thể người Con người nguồn phóng tĩnh điện thể người dễ dàng tĩnh điện Điện tích sau chuyển từ người sang thiết bị điện tử nhạy cảm dạng phóng tĩnh điện Đầu tiên ta xác định điện dung thể người Ngồi 50 pF điện dung khơng gian tự do, yếu tố đóng góp vào điện dung thể điện dung lòng bàn chân mặt đất Điện dung lòng bàn chân mặt đất khoảng 100 pF (50 pF foot) Điện dung bổ sung từ 50 đến 100 pF tồn người gần vật thể xung quanh khác Do đó, điện dung thể người thay đổi khoảng 50 đến 250 pF Hình 1: Mơ hình hóa thể người Mơ hình thể người (HBM) cho ESD thể hình Điện dung thể Cb, phóng điện xảy thơng qua điện trở Rb thể Điện trở cở thể thay đổi từ 500 đến 10.000 O Mạch hình sử dụng thử nghiệm ESD để mơ phóng điện thể người Mơ hình sử dụng phổ biến bao gồm 150 pF 330 O theo tiêu chuẩn ESD Liên minh Châu Âu EN 61000-4-2 Dạng sóng kết hợp hai phóng điện Hình Xung hẹp thời gian tăng nhanh phóng điện điện dung khơng gian tự đầu dị thiết bị thử nghiệm ESD (kích Hình 2: Dạng tín hiệu đo thước hình dạng xác định tiêu chuẩn) xung rộng chậm phóng điện tụ điện 150 pF mắc nối tiếp với dây đeo nối đất người thử nghiệm) Với thời gian rise time ngắn từ 0.7-1(ns) cường độ dịng điện tối đa 30A với nguồn phóng 8000V 15A với nguồn phóng 4000V 2.2 Ngăn chặn xâm nhập ESD Ba nhân tố phổ biến dẫn đến xâm nhập ESD vỏ thiết bị, dây cáp bàn phím bảng điều khiển Vỏ kim loại nhựa, hai có ưu điểm nhược điểm Tuy nhiên, cách tiếp cận giảm thiểu ESD khác nhau, chúng sử dụng hai trường hợp 2.2.1 Vỏ kim loại: Ưu điểm vỏ bọc kim loại sử dụng đường dẫn thay cho dịng điện ESD Nhược điểm vỏ bọc kim loại gia tăng khả xảy phóng điện Ta có tình mạch điện cách điện bao bọc hoàn tồn vỏ kim loại nối đất Mạch khơng có kết nối với thứ bên ngồi vỏ bọc Do độ tự cảm dây dẫn nối đất lớn nên phần lớn dòng điện ESD ban đầu chạy qua điện dung ký sinh vỏ đất Khi xảy phóng điện, vỏ bọc tăng điện nạp điện dung Trong trường hợp phóng điện 10.000 V, vỏ bọc thường tăng điện lên khoảng 1000 đến 2000 V Giả sử độ tự cảm dây dẫn 15 nH / in, dây dẫn nối đất dài ft có độ tự cảm khoảng mH Ở tần số 300 MHz +, Ta có: 1in = 2.5cm, 6ft = 6*30(cm)=180(cm), nên L = 15n*180/2.5=1(uH) Nên trở kháng dây dẫn đất khoảng 2*pi*f*L = 2*3.14*1080*300*10^-(3) = 2000(ôm) Việc sạc điện dung nối đất vỏ bọc nguyên nhân làm cho điện vỏ bọc tăng lên lúc đầu Dây dẫn nối đất sau phóng điện dung tiếp đất ký sinh với tốc độ chậm nhiều, đưa vỏ bọc trở điện đất Khi vỏ bọc tăng điện phóng điện, mạch điện bên vỏ bọc tăng lên điện áp Do đó, khơng có khác biệt điện vỏ mạch điện, phần khác mạch điện; mạch điện bảo vệ an toàn tuyệt đối Với vỏ bọc khơng liền (ở đường nối lỗ) gây điện áp chênh lệch vỏ bọc mạch, cho phép trường cảm ứng ESD vào bên vỏ bọc ảnh hưởng lên mạch điện bên vỏ Có thể sử dụng hai cách tiếp cận để giải vấn đề Đầu tiên tốt làm cho vỏ hoàn chỉnh Vỏ bọc phải nối liên với số lượng Hình 3: Phóng điệnhở đến kim loạiĐể bao giảm bọc hoàn toàn trường mạch điện Mạchtruyền khơng có kết nối bênmạch, khe hở vỏ bọc đường nối vàtĩnh khe tốivỏ thiểu thiểu ESD ngồi phải có chiều dài tối đa 25 mm Cách giải thứ hai giảm thiểu diện tích vịng lặp mạch điện để giảm thiểu từ trường ảnh hưởng lên mạch ta thêm chắn bên để chặn điện trường vỏ mạch Hình 4: Phóng tĩnh điện đến vỏ kim loại khơng bao bọc hồn tồn mạch điện Mạch khơng có kết nối bên ngồi Trường hợp bên khơng phải trường hợp thực tế, mạch khơng có kết nối với thứ bên vỏ bọc Ta xét trường hợp mạch bên nối đất Khi phóng điện xảy vỏ bọc, vỏ bọc tăng điện Tuy nhiên, kết nối đất bên ngồi, mạch có điện gần với điện nối đất Do đó, tồn chênh lệch điện lớn vỏ mạch, xảy tượng hồ quang thứ cấp vỏ mạch Hiệu ứng tương tự xảy vỏ không nối đất Trong trường hợp này, thay tăng đến khoảng vài nghìn vơn, trường hợp với vỏ nối đất, vỏ tăng lên gần với điện nguồn phóng điện Do đó, nên nối đất tất vỏ kim loại để bảo vệ ESD Hồ quang thứ cấp ngăn chặn cách cung cấp đủ không gian tất phận kim loại mạch điện cách nối mạch điện với vỏ bọc kim loại, giữ cho mạch điện với vỏ bọc Khoảng cách không gian phải đủ để chịu khoảng 2000 V vỏ nối đất 15.000 V vỏ khơng nối đất Ngay khơng có hồ quang thứ cấp, điện trường mạnh tạo vỏ kim loại mạch điện gây cố Thông thường, chắn thứ hai bên cạnh vỏ xung quanh mạch nhạy cảm cần thiết để chặn cảm ứng điện trường Nếu mạch kết nối với vỏ, kết nối phải kết nối điện cảm thấp khu vực I/O bảng mạch in (PCB) Điều tương tự kết nối đất mạch với khung sử dụng để hạn chế xạ từ cáp Do đó, kỹ thuật sử dụng cho hai mục đích Khi phóng điện đến vỏ bọc, điện tăng lên Tuy nhiên, điểm nối chung mạch nối với vỏ bọc nên điện mạch tăng lên với vỏ bọc không tồn Hình khácđược biệtbọc điện 5: Mạch thêmthế mộtgiữa lớp thứ điểm mạch điện mạch điện vỏ bọc 2.2.2 Xử lý cáp vào/ra Cáp trở thành điểm vào ESD (1) phóng điện trực tiếp, (2) hoạt động ăng-ten, (3) vấn đề ESD hai hộp cổ điển Xâm nhập ESD cáp bị cản trở giảm thiểu nhiều phương pháp sau: Sử dụng cáp che chắn Cuộn cảm chế độ chung Điốt triệt tiêu điện áp độ 10 Bộ lọc bypass cáp 2.2.2.1 Sử dụng cáp che chắn Cáp che chắn cáp có lớp dẫn điện chung xung quanh ruột dẫn để che chắn điện từ Tấm chắn thường bao phủ lớp cáp Các loại che chắn cáp phổ biến phân loại rộng rãi Foild Shield, Braid Shield Braid-over-foild Shield Để bảo vệ tối ưu, chắn cần phải liên kết với vỏ kết nối 360o Braid Shield Braid-over-foild Shield Còn với Foild Shield chắn phải liên kết kết nối pigtail không thực kết nối 360o với vỏ Hình 6: Các loại cáp phổ biến Để hiểu rõ tầm quan trọng chắn thích hợp bảo vệ ESD, ta xét vấn đề ESD điển hình hai hộp kết nối với cáp che chắn hình bên Bằng cách sử dụng chắn cáp để kết nối hai vỏ lại với nhau, hai vỏ chuyển đổi thành vỏ Do liên kết chắn với vỏ thông số quan trọng để xác định hiệu suất ESD Bảng sau liệt kê điện áp đo điện Hình 2: Hai vỏ kết nối với cáp bảo vệ nhằm biến cả hai trở 50một Ohm thành vỏ liên tục hộp B xảy phóng điện 10000 V hộp A Trong trường hợp, chắn có liên kết 360o với hai hộp, chắn chụp đầu cáp hộp thứ hai không cố định Bảng 1: Ảnh hưởng chắn chụp đầu cáp điện áp ESD gây  Khi chắn không sử dụng chắn không kết nối với hộp thứ hai, điện áp điện trở 50 Ohm hộp B lớn 500V  Khi sử dụng kết nối drain wire, điện áp giảm xuống 16V 11  Khi chắn hàn vào vỏ sau đầu nối 360 o, vỏ sau kết nối với vỏ thứ hai thơng qua vít giắc đầu nối D, điện áp giảm xuống 2V  Khi chắn hàn vào vỏ sau đầu nối 360o, vỏ sau kết nối 360o với vỏ thứ hai, điện áp đo 1.26V  Cuối cùng, ta không sử dụng đầu nối chắn kết nối 360o trực tiếp với vỏ thứ hai, điện áp đo 0.6V 2.2.2.2 Sử dụng cuộn cảm chế độ chung Một cuộn cảm ferrite chế độ chung đặt cáp làm cho hầu hết điện áp phóng điện độ giảm xuống qua cuộn cảm mạch kết nối với đầu cáp Do thời gian tăng nhanh xung ESD, điện dung lạc qua cuộn cảm phải giảm thiểu để hoạt động hiệu Nếu mạch kết nối với vỏ điểm điểm đó7:phải nơichếcáp vàocóvỏ Hình Cuộnlàcảm độ chung thể sử dụng cáp để bảo vệ ESD 2.2.2.3 Sử dụng thiết bị bảo vệ điện áp độ Nếu cáp đầu vào / đầu khơng che chắn, tất ruột dẫn phải có thiết bị bảo vệ điện áp tạm thời lọc Các thiết bị bảo vệ phải đủ nhanh (1 ns) để bật suốt cạnh lên xung ESD Các thiết bị ưu tiên điốt triệt tiêu điện áp tạm thời (TVS) Các thiết bị chuyển đổi nhanh (thường khoảng 1ps) có khu vực tiếp giáp lớn tiêu tán lượng lượng đáng kể Điốt TVS hiệu chống lại Hình 8: Kết nối khơng PCB khung (A) buộc dịng điện ESD chạyđường qua PCB.dây Kết nối thích hợp (B) chuyển dòngthành ESD từ mạng PCB sang vỏ ESD số trở kháng nối tiếp thêm vào bảo vệ, tạo hình T Các phần tử nối tiếp phải có trở kháng từ 50 đến 100 Ohm dải tần từ 100 đến 500 MHz Điện trở ferit hoạt động tốt ứng dụng Sử dụng ferit mạch chịu sụt giảm điện áp tần số thấp dòng điện chiều (một chiều) điện trở gây 2.2.2.4 Sử dụng lọc Ta sử dụng lọc L bao gồm điện trở nối tiếp (hoặc ferit) tụ điện shunt, thay cho bảo vệ điện áp độ Trong bảo vệ độ thiết bị phi tuyến giữ điện áp đầu vào mức xác định, lọc tuyến tính giảm độ ESD lượng tương ứng tùy thuộc vào suy giảm chúng Vì hầu hết lượng ESD nằm dải tần 100 đến 500 MHz, nên lọc phải thiết kế để cung cấp 40 dB suy giảm dải tần Phần tử shunt lọc thường tụ điện (100 đến 1000 pF) phần tử nối tiếp điện trở ferit (50 đến 100 Ohm) Một lõi 12 Hình 9: Một diode TVS sử dụng để chuyển dòng ESD cáp vỏ ferit cáp đầu nối chân lọc điện dung gắn trực tiếp vỏ tạo nên lọc L tốt để bảo vệ ESD(hình dưới) 2.2.2.4 Tổng kết phương pháp xử lý cáp I/O Các thành phần bảo vệ diode TVS hay lọc phải đặt cho dòng nối đất mà chúng tạo không chạy qua đất mạch; nghĩa là, chúng phải kết nối với vỏ bọc nối đất I / O riêng biệt (như hình 5) Các phương pháp bảo vệ đầu vào cáp vừa thảo luận ngăn ngừa hư hỏng linh kiện khơng ngăn ngừa lỗi mềm transient upset, điện áp nhiễu đầu vào Để ngăn ngừa lỗi mềm, tín hiệu nhiễu phải kiểm sốt Hình 3: Một lọc sử dụng để chuyển dòng ESD từ cáp đến vỏ cách xây dựng thêm khả chống nhiễu vào hệ thống Điều thực cách lọc bổ sung thiết bị nhạy cảm, sử dụng đầu vào cân bằng, mạch đầu vào vuốt thiết kế phần mềm 2.2.3 Vỏ bọc cách điện Ưu điểm vỏ bọc cách điện chúng có xu hướng ngăn chặn phóng điện xảy Tuy nhiên, trừ cách điện hồn tồn, có đường nối kẽ hở mà qua phóng điện xảy Trong trường hợp vỏ kim loại, khung gầm vỏ bọc sử dụng đường dẫn thay tự cảm thấp để định tuyến dịng điện phóng từ mạch bên Tuy nhiên, trường hợp vỏ bọc phi kim loại, đường dẫn tự cảm thấp không tồn tại, điều làm cho ESD khó kiểm sốt Những nhược điểm vỏ bọc cách điện: Khơng có đường dẫn thay thuận tiện để dòng ESD xả trực tiếp Khơng có chắn cho ESD xả gián tiếp (qua trường cảm ứng) Không thuận tiện để kết nối : Tấm chắn cáp Vỏ đầu kết nối Bộ triệt tiêu điện áp độ Bộ lọc cáp đầu vào Vậy thành phần nên đấu nối sản phẩm nằm vỏ nhựa? Có ba khả sau: Đến đất mạch điện (lựa chọn tệ nhất) Đến mặt phẳng mặt đất I / O riêng biệt bàn luận Phần 12.4.3 (lựa chọn tốt hơn) Đến kim loại lớn riêng biệt thêm vào đáy sản phẩm (lựa chọn tốt nhất) Khi đất mạch sử dụng để dẫn dòng điện ESD, điện áp mặt đất lớn tạo ra, điện áp gây thiệt hại lỗi phần mềm xảy 13 Hình 10: Sử dụng kim loại nối đất để hướng dòng ESD từ PCB Cách tiếp cận mong muốn có nối đất ESD riêng biệt hệ thống để hoạt động đường dẫn tự cảm thấp cho dòng ESD Cách tiếp cận thể Hình 15-17 mặt đất ESD phải lớn vỏ bọc để có nhiều điện dung để tiếp đất tốt Mặt đất ESD dày nặng, phải rộng - kim loại hoạt động tốt, lớp phủ tối ưu bên bề mặt vỏ nhựa Một cách tiếp cận khác để chuyển hướng dòng ESD khỏi mạch nhạy cảm sản phẩm nằm vỏ nhựa sử dụng kẹp diode để cung cấp lượng Hình 15-18A Các diode chuyển hướng dịng điện đến đường dây nguồn tránh xa đầu vào mạch để bảo vệ Hình 4: (A) Diode kẹp vào đường ray cung cấp điện (B) Việc bổ sung (1) điện trở hàng loạt (2) điện dung cung cấp điện số lượng lớn bổ sung Đổ dòng điện ESD vào đường dẫn nguồn gây tăng giảm tức thời điện áp cung cấp Sự thay đổi điện áp cung cấp đủ để làm nhiễu, số trường hợp chí thiệt hại mạch bảo vệ mạch khác kết nối với nguồn cung cấp điện Tuy nhiên, cách tiếp cận diode thực để hoạt động tốt thêm hai thành phần bổ sung Đầu tiên, điện trở (hoặc cuộn lõi ferrite) thêm vào phía trước diode để hạn chế độ lớn dòng ESD, thứ hai, điện dung số lượng lớn bổ sung (5 đến 50 mF) thêm vào đường ray cung cấp điện Cả hai cách tiếp cận thể Hình 15-18B Mối quan hệ dịng áp cho tụ điện thể Eq.14-8 : dV= idt/C Bởi idt đại diện cho phí Q, Eq 15-7 viết lại thành dV = dQ/C Do đó, lượng điện tích cố định dQ đổ vào hệ thống điện mặt đất kiện ESD, điện dung C lớn thay đổi dV điện áp nhỏ Khi sử dụng vỏ nhựa, thiết bị điện tử nên cách xa đường nối kẽ hở vỏ bọc, chúng nơi ESD xảy Sử dụng khoảng cách an toàn mm / kV Nếu bạn cung cấp khoảng cách cần thiết đưa vào vật liệu điện mơi bổ sung kẽ hở thiết bị điện tử 14 2.2.4 Bàn phím bảng điều khiển Bàn phím bảng điều khiển phải thiết kế cho việc phóng điện khơng xảy ra, có dịng điện chảy qua đường thay không trực tiếp qua thiết bị điện tử nhạy cảm Trong nhiều trường hợp, bắt tia điện kim loại đặt phím mạch, hiển thị Hình 15-19A, để cung cấp đường thay cho dòng ESD Bộ bắt tia điện nên kết nối với vỏ bọc (nếu kim loại) kim loại ESD nối đất riêng biệt Các phương pháp bảo vệ khác thể Hình 15-19 sử dụng trục cách điện Hình 11: Hạn chế ESD cho bàn phím bảng điều khiển, (A) bắt tia điện phía sau / núm lớn để ngăn chặn ESD vào điều khiển áp (Hình dụng chấtkhiển cách điện bàn phím bảng triết điều khiển (B) núm15-19B) lớn trục cáchsử điện điều (C) điện hoàn trên15-19C) bàn phím / bảng khiển tồn bàn phím, khơng có khoảng trốngcách khơng khí tồn (Hình Cấuđiều hình hiển thị Fig 15-19A cung cấp đường dẫn thay cho dịng ESD, cấu hình hiển thị Figs 15-19B 15-19C ngăn chặn xuất dòng ESD 2.3 Bảo vệ mạch nhạy cảm Sự phóng điện (ESD) gây tổn hại lên mạch điện dịng phóng trực tiếp ( thường 10 ampe), làm chập mạch phá hủy cấu trúc phần cứng Bởi dịng phóng điện tăng nhanh, mạch tín hiệu số thường dễ bị tổn hại mạch tương tự Tuy nhiên, mạch số tương tự tổn hại ESD Bộ lọc R-C đầu vào thiết bị Tín hiệu Reset, ngắt, tín hiệu điều khiển đầu Hình vào12: khác làm thay đổi trạng thái làm việc thiết bị, nên bảo vệ khỏi tín hiệu lỗi gây xung độ tức thời, dòng ESD xung hẹp Điều thực cách them điện trở, tụ điện ( 50 Ôm – 100 Ôm, 100 – 1000pF) vào đầu vào IC để giảm độ nhạy đầu vào mạch xung hẹp ESD tức thời hình Điện trở sử dụng ( 50 – 100 Ôm) trường hợp sụt áp trở chấp nhận Tại tần số 30Mhz, hạt ferrite hoạt động tốt khơng có sụt áp Ở 10Mhz, sử dụng cuộn cảm thay điện trở, chọn giá trị điện cảm phù hợp để cảm kháng từ 50-100 Ơm Ví dụ 10uH 1Mhz, 1uH 10MHz Đôi khi, cần tụ điện hiệu quả, phần tử nối tiếp độ tự cảm dây đường vết PCB 15 Hình 13: giá trị dung kháng lí tưởng với tần số Hình giá trị dung kháng lí tưởng với tần số ( khơng có điện trở hay cuộn dây) Tại tần số 80Mhz-1000Mhz, 1000pF giá trị lí tưởng cho lọc, với dung kháng 0,16 đến 1,99 Ôm Mạch PCB đa lớp cho phép miễn nhiễm ESD bảng mạch lớp Sự cải thiện kết lượng thấp trở kháng mặt đất liên quan đến việc sử dụng lượng lớp nối đất, khu vực vịng tín hiệu nhỏ việc sử dụng lớp Điện dung tách rời số lượng lớn đủ lớn có hiệu strong việc cải thiện miễn nhiễm ESD, làm giảm thay đổi điện áp tạo tượng tích điện 2.4 Nối đất ESD Như nêu trước đây, dây dẫn điển hình có độ tự cảm khoảng 15 nH / in Do đó, dây dẫn nối đất dây nguồn xoay chiều dài ft có điện kháng 2000 Ơm tần số 300 MHz Điều không bao gồm độ tự cảm tất hệ thống dây điện xoay chiều phía sau ổ cắm, tường tòa nhà, trước dây dẫn màu xanh thực tiếp xúc với '' đất '' Chiều dài dễ dàng từ 50 ft trở lên, điều thêm 17.000 O vào dây nối đất cho tổng trở kháng nối đất dây nguồn gần 20.000 Ôm 300 MHZ Hình 14: Nối đất bảo vệ độ Đất thực điểm tham chiếu cho ESD khung (hoặc vỏ kim loại) tiếp đất ESD bên sản phẩm điện dung không gian tự Nếu vỏ bọc mặt đất ESD có điện dung 26 pF, trở kháng tần số 300 MHz 20 Ôm Điều thể trở kháng nhỏ ba bậc độ lớn so với trở kháng dây nguồn xoay chiều Do đó, cách để chuyển hướng dịng điện ESD khỏi mạch kết nối bảo vệ điện áp độ mạch đầu vào / lọc với vỏ Nếu bạn khơng có vỏ bọc kim loại, kết nối bảo vệ lọc tạm thời với mặt đất ESD riêng biệt sản phẩm bạn Nếu bạn khơng có vỏ bọc kim loại khơng có mặt đất ESD, tất bạn làm cố gắng hạn chế dịng phóng điện điện trở kết nối lọc bảo vệ với mặt đất Hình 13 cho thấy ví dụ kết hợp bảo vệ lối vào dòng điện độ bảo vệ phần cứng thiết bị nhạy cảm Lưu ý triệt tiêu độ cáp đầu vào nối đất với khung máy, mục đích chuyển hướng dịng điện ESD tạm thời khỏi PCB Tuy nhiên, lọc bảo vệ đầu vào thiết bị nhạy 16 cảm kết nối với đất mục đích giảm thiểu loại bỏ điện áp qúa độ xuất đầu vào chân nối đất thiết bị Chuyển hướng dòng điện ESD biên độ lớn xuống đất, gần bên sản phẩm, tạo từ trường mạnh ảnh hưởng xấu đến hệ thống Do đó, số trường hợp, có lợi thêm số điện trở điểm vào ESD mặt đất, để giảm cường độ dòng điện Đây thường gọi vịng mềm Thơng thường, điện trở từ trăm đến nghìn ohms đủ 2.5 Thiết bị không nối đất Sự phóng điện xảy vật khơng bao quanh khơng? Vâng, có lẽ tất quan sát thấy phóng điện vào tay nắm cửa khơng có bao quanh Trong trường hợp này, đường dẫn ESD gì? Trên sản phẩm khơng có kết nối đất bên ngồi (ví dụ: máy tính cầm tay), đường dẫn dòng điện ESD từ điểm vào qua phần sản phẩm có điện dung lớn (tức trở kháng thấp nhất) tới mặt đất Trên nhiều sản phẩm cầm tay nhỏ, phận có điện dung nối đất lớn bảng mạch in PCB thường khơng có kết mong muốn có dịng phóng điện qua Giải pháp cung cấp đường dẫn thay có trở kháng thấp (điện dung lớn hơn) để nối đất cho dòng điện ESD chạy qua Điều thường thực cách thêm ESD vào sản phẩm bên PCB Tấm chặn điện dung PCB thực tế xuống đất đồng thời cung cấp điện dung lớn thân mặt đất để dịng phóng điện chạy qua, điều tương tự xảy sử dụng vỏ bọc kim loại Cách tiếp cận sử dụng để cung cấp khả bảo vệ ESD nhiều thiết bị cầm tay nhỏ, chẳng hạn máy tính 2.6 Phần mềm chống lại nhiễu ESD Cách thứ ba để bảo vệ ESD viết phần mềm / firmware củng cố thời Để giảm thiểu cố ESD, khơng nên bỏ qua vai trị phần mềm firmware Phần mềm phải thiết kế cho phục hồi ESD thời làm ảnh hưởng chương trình Phần mềm thiết kế phù hợp có ích lâu dài việc loại bỏ giảm thiểu lỗi ESD gây Hai bước để viết phần mềm chống lại ESD:   Đầu tiên, phải phát lỗi Thứ hai, hệ thống phải khơi phục an tồn trạng thái ổn định Để làm điều này, phần mềm phải thường xuyên kiểm tra điều kiện bất thường Mục tiêu phát lỗi nhanh tốt trước có hội gây thiệt hại Các kỹ thuật phát lỗi phần mềm chia thành ba loại chung: Lỗi luồng chương trình Lỗi đầu vào-đầu Lỗi nhớ 2.6.1 Phát lỗi luồng chương trình Khía cạnh quan trọng việc viết phần mềm chống nhiễu đảm bảo chương trình chạy ổn định Lỗi luồng chương trình thay đổi ghi bên vi xử lý (ví dụ: đếm chương trình) bit nhớ nằm lệnh chương trình Do đó, chương trình bị lặp vơ hạn mà khơng thể Nó cố gắng thực thi lệnh không tồn nhớ cố gắng dịch 17 liệu thành mã lệnh Khi viết phần mềm có khả chịu lỗi, bạn nên đặt giả thuyết ESD thay đổi giá trị đếm chương trình tùy ý Việc phát lỗi luồng chương trình bao gồm việc thường xuyên kiểm tra chương trình với hai điều kiện sau:   Chương trình có chạy q nhiều thời gian khơng? Chương trình có hoạt động phạm vi nhớ hợp lệ không? Để kiểm tra điều kiện khơng khó cần thêm vài dịng code Một số kỹ thuật sử dụng bao gồm watchdog, điểm lưu cho phần mềm, bẫy lỗi, mã no-op / return bẫy vị trí vectơ ngắt không sử dụng Biện pháp bảo vệ hiệu chống lại vịng lặp vơ hạn đếm watch dog Nhiều vi xử lý có watchdog tích hợp, khơng sử dụng mạch bên Ý tưởng đặt đếm thời gian đếm đến số định reset lại vi xử lý Phần mềm viết để tạo xung theo định kỳ để đặt lại đếm thời gian trước chạy hết Nếu thứ hoạt động bình thường, hẹn khơng hết thời gian vi xử lý không bị reset Nếu xử lý bị lặp vơ hạn, khơng thể tạo xung, đó, hẹn hết thời gian đặt lại vi xử lý đưa hệ thống khỏi vịng lặp vơ hạn Hệ thống xảy lỗi q trình này, khơng bị lặp vơ tận khơi phục Chỉ với vài dòng code bổ sung, code cho xung viết chương trình sử dụng lặp lặp lại Token cách tiếp cận khác Token thêm vào điểm vào mô-đun phần mềm Các Token vào đặt thành giá trị Nếu mơ-đun, token khơng khớp với token nhập, bạn nhảy vào từ modun khác Sau đó, bạn sang chương trình khơi phục lỗi, chương trình giảm thiểu thiệt hại xảy khơi phục Nếu chương trình bị giới hạn phạm vi nhớ định phân vùng nhớ chương trình nằm vùng nhớ đọc (ROM), bẫy ghi vào phần mềm để ngăn chương trình cố gắng truy cập lệnh bên phạm vi hợp lệ nhớ Các phần không sử dụng nhớ chương trình phải lấp đầy lệnh ‘‘no op’’ (hoặc tương tự) mà nhảy đến quy trình xử lý lỗi cuối Bằng cách này, xảy việc vơ tình chuyển đến nhớ khơng sử dụng khơng tồn tại, quy trình xử lý lỗi gọi Các vị trí vectơ ngắt phần cứng không sử dụng vi xử lý thường nguồn gốc lỗi luồng chương trình Nếu cố ESD tạm thời xuất tác động đến đầu ngắt khơng sử dụng, chương trình nhảy đến vị trí vectơ ngắt Nếu vị trí chứa lệnh liệu lưu trữ, kết khơn lường Giải pháp đơn giản đặt lệnh ‘‘return’’ bước nhảy đến quy trình xử lý lỗi tất vị trí vectơ ngắt không sử dụng Một lỗi luồng chương trình phát hiện, cần phải đưa hệ thống trở lại trạng thái ổn định, với thiệt hại tốt Kết đạt cách chuyển quyền kiểm soát sang quy trình xử lý lỗi Quy trình xử lý lỗi đơn giản reset hệ thống Tuy nhiên, số trường hợp, cách tiếp cận khơng chấp nhận Khôi phục lỗi bao gồm đánh giá thiệt hại sau sửa chữa chương trình cần thiết Việc nên thực tùy thuộc vào hệ thống cụ thể nằm phạm vi sách 18 2.6.2 Phát lỗi đầu vào / đầu Xung thời đầu vào đầu gây thơng tin khơng xác truyền đạt ngồi hệ thống Lỗi đầu phát cách gửi lại đầu so sánh liệu với liệu gửi Các lỗi đầu vào kiểm sốt phần mềm lọc liệu đầu vào cách kiểm tra liệu Một kỹ thuật lọc phần mềm đơn giản đọc liệu đầu vào n lần liên tiếp, với độ trễ ngắn lần đọc chấp nhận liệu lần đọc giống Bằng cách này, đầu vào hợp lệ phân biệt với xung nhiễu thời Để bảo vệ ESD, độ trễ vài trăm nano giây lần đọc đủ Mức độ lọc hàm giá trị chọn cho n dễ dàng điều chỉnh n lớn khả lọc đầu vào lớn Giá trị 2, cho n thường cung cấp khả bảo vệ ESD đầy đủ Hình 15-23 cho thấy sơ đồ luồng chương trình đọc liệu đầu vào n lần đọc liên tiếp khớp trước chấp nhận liệu Luồng tạo xung định kỳ Bằng cách bỏ qua nhiễu ngắn thời, chương trình hoạt động lọc thông thấp liệu đầu vào Ngồi ra, bảo vệ liệu đầu vào thực cách kiểm tra kiểu phạm vi liệu trước chấp nhận Bằng cách này, lỗi đầu vào thường phát gắn cờ trước chúng xâm nhập vào hệ thống 2.6.3 Phát lỗi nhớ Những thay đổi nhớ nhiễu ESD gây không ảnh hưởng Tuy nhiên, khơng phát hiện, lỗi ảnh hưởng đến hệ thống sau Để phát loại lỗi này, tất liệu lấy từ nhớ phải xác thực trước sử dụng Nhiều kỹ thuật để kiểm tra tính hợp lệ liệu Đơn giản số sử dụng parity bit Các kỹ thuật bổ sung liên quan đến việc sử dụng checksum, CRC mã sửa lỗi khác Tất kỹ thuật phát lỗi số chí sửa lỗi 19 CHƯƠNG - LIÊN HỆ THỰC TẾ Ngành công nghiệp bị ảnh hưởng nặng phóng tĩnh điện ESD sản xuất lắp đặt vi mạch điện tử Vì tượng phóng tĩnh điện ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phẩm ESD gây ảnh hưởng đến thiết bị điện tử Tuy khơng làm hỏng làm chất lượng vi mạch dần Tuổi thọ sản xuất bị giảm đáng kể Hiện tượng phóng tĩnh điện cịn gây vấn đề trục trặc, suy giảm chất lượng thiết bị vi mạch, linh kiện điện tử Thậm chí gây hại đến sản phẩm chưa hoàn chỉnh dẫn đến thiết bị hoạt động 3.1 Tiêu chuẩn ESD Được thành lập vào năm 1982, ESDA hiệp hội tự nguyện chuyên nghiệp nhằm nâng cao hiểu biểt lí thuyết thực tiễn phịng tránh phóng tính điện(ESD) Hiệp hội ESD, bắt đầu với 100 thành viên, phát triển 15869 thành viên tình nguyện viên khắp giới Để đáp ứng nhu cầu môi trường liên tục thay đổi, hiệp hội ESDA, phép mở rộng nhận thức ESD qua tiêu chuẩn, chương trình phát triển, giáo dục, ấn phẩm, hướng dẫn, chứng nhận hội thảo chuyên đề Đây tổ chức Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kì ( ANSI) công nhận để viết sản xuất tiêu chuẩn tính điện ANSI/ESD S20.20 tiêu chuẩn hiệp hội EDSA để phát triển chương trình kiểm sốt phóng tính điện nhằm bảo vệ phận, cụm lắp ráp, thiết bị điện điện tử Tiêu chuẩn đưa yêu cầu quản trị kĩ thuật để thiết lập, thục trì chương trình kiểm sốt ESD 3.2 Những thương hiệu ESD tiếng Đáp ứng nhu cầu bùng nổ từ ESD, nhiều sản phẩm kiểm soát ESD, đo đạc khử tĩnh điện đời, sau số thương hiệu ESD tiếng giới    Thương hiệu Trek - Advanced Energy: Trek thương hiệu tiếng từ Mỹ có truyền thống lâu đời nhiều nhà máy giới yêu thích, nhắc đến Trek nhắc đến uy tín chất lượng định Những thiết bị đo tĩnh điện nói chung sản phẩm đo điện áp tĩnh điện đo điện trở bề mặt nói riêng sản phẩm bật Trek Trek thương hiệu ưa chuộng Việt Nam, nhiên cạnh tranh maker khác, kèm theo chi phí cao, thời gian vận chuyển từ Mỹ lâu nên nhiều khách hàng lựa chọn sang sản phẩm phù hợp Thương hiệu Shishido Nhật Bản: Đến từ Nhật Bản, Shishido thương hiệu nhắc đến cảm nhận chất lượng, bền bỉ công nghệ cao Cũng thương hiệu chun ESD, Shishido cịn có nhiều sản phẩm liên quan đến giải pháp khử tĩnh điện Quạt khử tĩnh điện, bar khử tĩnh điện, hiệu khu vực sản xuất yêu cầu tiêu chuẩn cao ESD Có thể nói dòng sản phẩm chủ lực Shishido lĩnh vực ESD Thương hiệu ESD Man: Cũng thương hiệu ESD tiếng, ESD Man đến từ Trung Quốc lại trọng nhiều giải pháp quản lý kiểm sốt tĩnh điện thơng qua cơng cụ đo lường cổng vào cổng ESD, vòng đeo tay, máy đo tĩnh điện giày tay Thương hiệu ESD Man có sản phẩm khử tĩnh điện với chi phí rẻ so với thương hiệu khác, thương hiệu biết đến nhiều thị trường Việt Nam nước Đông Nam Á 20 3.3 Các đồ dùng/thiết bị khử tính điện phổ biến  Quần áo ESD: quần áo chống tĩnh điện Ngoài chức sử dụng quần áo ESD chống bụi bám dính quần áo đồng phục bình thường quần áo ESD có khả truyền tải nguồn tĩnh điện tồn thể người di chuyển ma sát loại quần áo bình thường xuống đất thơng qua hệ giày-sàn ESD vịng đeo tay wrist strap Theo tiêu chuẩn kiểm sốt phịng chống tĩnh điện S20.20 có quy định quần áo ESD phải có giá trị điện trở