Насколько действительно необходима защита от электростатического разряда?

Я насчитал как минимум пять вопросов в вашем вопросе. Я постараюсь ответить лишь на некоторые.

Прежде всего, существует несколько уровней событий электростатического разряда, которые могут быть указаны производителями оборудования для различных сред и других условий эксплуатации. Все они классифицированы в стандарте IEC 61000-4-2.

Тогда да, конструкция разъема играет значительную роль в частоте отказов электронного оборудования. Если разъем имеет правильно проложенный экран и сигнальные контакты утоплены внутри, вероятность прямого воздействия электростатического разряда на сигналы гораздо меньше, поэтому для них может потребоваться меньший уровень защиты от электростатического разряда.

Во-вторых, TVS-диоды помогают, даже если они имеют напряжение ограничения 20-25 В. Это все равно намного меньше, чем разряд 4 кВ при обычном человеческом теле, поэтому с внутренней защитой гораздо проще справиться.

И да, в 80-х характерный размер кремниевых элементов транзисторов был 2000 нм, сегодня он намного меньше, 1/100 от этого, что делает их более уязвимыми к той же энергии электростатического разряда. И нет, современных микроконтроллеров «5 В» не существует, современные микроконтроллеры - это микроконтроллеры «1 В». Микроконтроллеры, устойчивые к «5 В», — это взрыв из прошлого. Могут быть микроконтроллеры, устойчивые к «5 В», но либо их функциональность не соответствует современным требованиям IoT, либо вам нужно платить за них больше.

Остальные вопросы - несущественные детали.

Короче говоря, вы, вероятно, хотите, чтобы ваш продукт выжил в потребительской или промышленной среде, и не хотите иметь дело с заменой продукта и связанными с этим затратами, а также риском выхода из бизнеса. Вам нужно определиться, нужен ли вам ваш бизнес? Если да, то не задавайте вопросов и лучше используйте всю накопленную инженерную мудрость, чтобы защитить свой проект от электростатического разряда.

Надежность — это выбор дизайна, который вы делаете.

Вы сравниваете небольшой PIC/74HC с SOC в Raspberry Pi или

PIC или другая небольшая логика 5V micro или 74HC: - малое количество контактов - много места для широких металлических дорожек - сильноточные контакты 50 мА = большая площадь полевого транзистора - настоящая схема защиты CMOS - разгружает статические заряды на источник питания только с падением напряжения на диоде - большие контактные площадки + большие транзисторы = большие защитные диоды = большой ток отказа - базовый используемый процесс CMO будет 3,3 или 5 В

SOC/super-micro/fpga — зигзагообразные контактные площадки Bazillion pins, мелкая металлизация для резьбы между ними — маленькие полевые транзисторы, возможность слабого тока. Должно быть так, потому что у него так много контактов - устойчивый к мкВ вход - защищен стабилитроном: статическое электричество рассеивается в самом защитном диоде, а не разгружается на шины питания - крошечные контактные площадки и полевые транзисторы = крошечная защитная структура = крошечная энергия отказа . - низковольтный базовый процесс 1,5-2,5 В

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Итак, вкратце:

Высокотехнологичные детали: 7-кратное рассеивание в 1/10 площади пэда/транзистора/металлизации, в КМОП-технологии в 2 раза больше чувствительности к напряжению = в 140 раз менее прочная. [Война пламени начинается на автостоянке, когда бар закрывается]

Да, есть большая разница в необходимости защиты. Но есть большие различия в надежности, и они должны быть осознанным выбором.

• Фарадей обнаружил, что сопротивление ионизационной дуги обратно пропорционально плотности тока. Я прочитал это в книге Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме» и в электронной книге.pdf

Защита от электростатического разряда не является тривиальной. Так что учитесь как можно больше и следуйте лучшим практикам.

Таким образом, импеданс модели человеческого тела (HMB) 100 пФ и модели тележки 300 пФ имеют значительно разные импедансы в случае разряда не только из-за C, но и из-за неустановленной плотности тока на границе раздела, фактически варьируется в зависимости от поля E на точка касания. Гладкая поверхность имеет примерно в 3 раза более высокую диэлектрическую изоляцию от пробоя, чем острая точка, и, таким образом, поскольку зазор может быть меньше, ток имеет меньший эффект растекания и представляет собой более высокий ток, более высокую плотность и гораздо более быстрое время нарастания и, следовательно, гораздо более широкую полосу пропускания. (RC=T=0,35/f). Разряды в диэлектриках крупных масляных трансформаторов могут превышать >10 ГГц, а также включают оптический спектр.

Таким образом, токи электростатического разряда являются переменными, но энергия источника тестовой модели фиксирована, как определено C и V, но уровень мощности зависит от того, насколько короткой становится длительность импульса.

Мы также знаем, что емкость диода обратно пропорциональна мощности и ESR диода. Из-за различий в конструкции мы знаем, что TVS имеют лучшее (показатель качества (FOM) для стабилитронов, а крошечные диоды Шоттки с двумя каскадами для ESR * C = T продолжают оставаться лучшим решением для компромисса внутренней защиты CMOS между максимальной скоростью и максимальная защита.В конце концов, диоды должны реагировать быстрее, чем защелка CMOS, чтобы защитить их, но размер, таким образом, ограничивает эти диоды максимальным постоянным током от 5 до 10 мА от абсолютного максимума рассеиваемой мощности постоянного тока.

Так как же получается, что две ступени лучше, и для большей защиты добавление TVS может улучшить это?

Интуиция и простые передаточные функции подсказывают нам, что большое отношение последовательного сопротивления к шунту любого приложенного напряжения может привести к большему затуханию, чем при низком последовательном сопротивлении.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Совет

Если вы хотите значительно улучшить защиту с помощью серии R или ферритового кольца, при условии, что это не ухудшит желаемую полосу пропускания по сравнению с L/R или 1/RC = 0,35/f. Маленькая бусина похожа на шунт 100 пФ, но она увеличивает время нарастания, позволяя шунтирующим диодам реагировать быстрее, чем время нарастания входного сигнала.

У меня нет достаточно времени, чтобы посвятить недавнему исследованию и сократить его до одной страницы, но исследования продолжаются, поскольку КМОП-литография продолжает сокращаться.

• разработана новая структура диодной цепочки для 65-нм защиты от электростатического разряда. • Напряжение ограничения на 30 % ниже, напряжение перегрузки на 15 % ниже при очень быстрых импульсах электростатического разряда REF

Вы можете избежать повторения множества диодов TVS для каждой линии ввода-вывода, используя более дешевые диоды, такие как BAT54S, для подключения к сигнальной линии. Катод верхнего диода подключается к общему TVS, который может совместно использоваться несколькими входами/выходами. Общий анод/катод подключается к сигнальной линии. Наконец, нижний анод диода подключается к GND.

Вам действительно нужно выходное сопротивление 33 Ом на вашем вводе-выводе? Потому что, если вы этого не сделаете, вы можете просто поставить 10 кОм и избежать токов блокировки, позволяя внутренним диодам ESD выполнять свою работу.