ESD-защита для аккумуляторов гаджетов и других портативных устройств

Интернет вещей принес дополнительные удобства в нашу повседневную жизнь. Чтобы электронные устройства было легче носить с собой и использовать, инженеры-конструкторы решали задачи по созданию большего набора функций для устройств на меньшем пространстве печатной платы, с более высокой плотностью электронных компонентов. Устройства, которые мы видим каждый день, такие как сотовые телефоны, умные носимые устройства, беспроводные наушники, электронные сигареты и даже очки дополненной реальности, разработаны с учетом самых современных требований проектирования электронных печатных плат. Более того, система-в-пакете (SiP) с еще большей плотностью компонентов – уже обыденность.

Шина питания и аккумулятор также нуждаются в защите от электростатического разряда и перенапряжения

Каждый раз, когда мы включаем любое электронное устройство, зачастую происходит всплеск напряжения на шине питания. Или, если пользователь заменяет батареи, шина питания батареи электронного изделия подвергается риску электростатических помех или повреждения. Вот почему инженеры по исследованиям и разработкам постоянно работают над созданием надлежащей защиты от таких скачков напряжения для повышения надежности работы устройства. Еще на этапе разработки продукта проводятся испытания электростатической защиты в соответствии с IEC61000-4-2 и испытания на перенапряжение в соответствии с IEC61000-4-5. Для моделирования вводятся суровые условия перенапряжения, чтобы убедиться, что продукт хорошо защищен в любых реальных ситуациях и вариантах эксплуатации.

Рисунок 1 – пример скачка перенапряжения при включении устройства.

Требования к защите линии питания сильно зависят от внешней среды эксплуатации устройства

Все производители закладывают строгие условия испытаний для имитации типов перенапряжений, которые могут присутствовать в реальной эксплуатации, чтобы электронные продукты, продаваемые по всему миру, были адаптированы и к местному климату. Таким образом, во время проверки продукта проводится строгое испытание на перенапряжение IEC61000-4-5 на шине питания батареи и зарядном устройстве USB VBUS, чтобы уменьшить количество случаев поломки устройств в регионе с суровыми условиями окружающей среды. Чтобы пройти тест IEC61000-4-5, инженеры-проектировщики обычно размещают TVS на шине питания батареи и зарядном устройстве USB VBUS, чтобы электростатические разряды и скачки напряжения останавливались TVS-диодом в момент их появления.

Однако, из-за ограниченного размера печатной платы в портативном электронном изделии малогабаритные TVS-элементы, доступные на рынке, часто не могут выдерживать высокие импульсные токи из-за ограниченного размера кристалла. В этой ситуации у инженеров-проектировщиков нет другого выбора, кроме как выбрать элемент TVS большего размера, чтобы пройти испытание на чрезмерную электрическую нагрузку, что означает, что им приходится выбирать между размером печатной платы продукта и высокой устойчивостью к электростатическим разрядам, скачкам напряжения.

Как проектировать защиту линии питания от перенапряжения?

Идеальный TVS-диод для шины питания аккумуляторов должен выдерживать высокие импульсные токи, а ток утечки является важным показателем, когда речь идет о снижении энергопотребления для увеличения срока службы аккумуляторов в электронных устройствах. В дополнение к надежности и току утечки самого TVS, напряжение фиксации является еще одним важным параметром для TVS. Первоочередной задачей при выборе TVS является обеспечение того, чтобы напряжение фиксации было достаточно низким для того, чтобы TVS сделал все возможное для защиты. Это исключает вероятность того, что основное устройство, находящееся под защитой, все же будет повреждено электростатическим разрядом, и TVS потеряет свою функцию элемента защиты, даже если он не поврежден.

Многие инженеры выбирают TVS с высоким значением VRWM для дополнительного резервирования напряжения, чтобы предотвратить риск неправильной проводимости TVS из-за нестабильного напряжения батареи. С другой стороны, большее значение VRWM означает более высокую производительность с точки зрения VBD (напряжение пробоя) и Vclamp (напряжение фиксации). Инженеры часто оказываются между молотом, который имеет достаточную избыточность напряжения, и наковальней, которой является высокое напряжение ограничения TVS.

Крайне важный параметр — направленность TVS. В идеале однонаправленный TVS предпочтительнее, так как он обеспечивает более высокую скорость отрицательной проводимости и лучшее отрицательное фиксирующее напряжение. Когда дело доходит до выбора TVS для шины питания от батарей, многие инженеры настаивают на однонаправленных элементах для лучшей защиты.

Рисунок 2 - однонаправленный TVS --- оптимизированное отрицательное напряжение фиксации.

В таблице ниже приведены ключевые моменты, на которые надо обращать внимание при проектировании защиты шины питания от электростатического разряда и перенапряжения:

AZ5A16-01M - оптимальное решение от Amazing Microelectonic для защиты шины питания от электростатических разрядов и перенапряжения

Суммируя все вышесказанное, компания Amazing Microelectronic предлагает идеальное решение TVS для защиты шин питания и аккумуляторов — AZ5A16-01M:

• корпус: MCSP0603P2Y (0201);
• направленность: однонаправленная;
• обратное напряжение отключения: 6 В;
• напряжение ограничения при 8 кВ: 9 В;
• стойкость к электростатическому разряду (IEC61000-4-2): 30 кВ;
• скачок тока (8/20 мкс): 20A;
• обратный ток утечки: <100 нА.

Рисунок 3 – напряжение фиксации.

Рисунок 4 – зависимость напряжения фиксации от тока.

AZ5A16-01M имеет компактный корпус MCSP0603P2Y в и оснащен самой высокой устойчивостью к перенапряжениям в отрасли при 20 А (8/20 мкс), чтобы гарантировать, что шина питания конечного устройства выдержит все испытания на перенапряжение IEC61000-4-5.

Рисунок 5 – чертеж AZ5A16-01M.

AZ5A16-01M использует специальную конструкцию корпуса MCSP. Корпус MCSP имеет 6-стороннее защитное покрытие для повышения прочности, что помогает AZ5A16-01M пройти и испытание на прочность сжатия, требуется многими производителями.

Рисунок 6 – архитектура корпуса AZ5A16-01M.

Благодаря специально разработанной конструкции для шин питания, AZ5A16-01M обеспечивает большую устойчивость к электростатическому разряду. Малые размеры корпуса решают вопрос компоновки для инженеров на этапе проектирования, что сокращает время вывода продукта на рынок.

Datasheet AZ5A16-01M

Компания Ультран – официальный дистрибьютор Amazing Microelectonic Corp. в России. Инженеры компании Ультран совместно с коллегами из Amazing оказывают консультации и обеспечивают техническую поддержку разработчиков.

Для размещения заказа, заказа образцов или по техническим вопросам по продукции Amazing Microelectonic звоните по телефону +7 (812) 318-18-95 доб. 1264 или пишите по адресу электронной почты psacerdov@ultran.ru.