物聯網應用及ESD防護的重要性

 

物聯網應用及ESD防護的重要性

物聯網 (IoT) 是一個由嵌入傳感器、軟件和其他技術的物理設備組成的網絡，用於通過互聯網與其他設備和系統連接並交換數據。它與雲服務器或網關共享數據以進行分析並採取相應的操作（圖1）。物聯網的一個值得注意的應用是在農業中。灌溉水量和時間是根據物聯網傳感器決定的，這些傳感器收集土壤水分含量、養分、肥料用量和天氣信息，幫助農民做出明智的決策，防止資源浪費。物聯網應用在製造和工業自動化領域也變得非常流行，從工廠車間到百貨商店，跟踪機器性能、測量產品質量、資產跟踪到實時定位系統。在智能家居自動化中，基於物聯網的系統使我們的家庭更安全且易於維護。

圖 1. IoT 網絡，包括網關和傳感器  

物聯網系統由傳感器、執行器、網關、計算和存儲設備組成的龐大網絡通常位於室外或惡劣的工業環境中。物聯網設備應該可以使用很多年，並且需要最少的維護。因此，它們必須保持免受瞬態威脅，例如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT)、雷電浪湧和其他瞬態電壓發生。設計和系統工程師的一個常見問題是 ±2kV ESD 保護對於物聯網設備是否足夠。了解製造和現實環境中的 ESD 測試模型對於回答這個問題至關重要。本博客介紹了兩種常用的 ESD 測試模型：用於組件級 ESD 測試的人體模型 (HBM) 和用於系統級 ESD 測試的 IEC 61000-4-2 模型。它們都使用旨在模擬人體產生的 ESD 事件的測試裝置。在我們討論測試設置細節並回答主題標題中提出的問題之前，讓我們先了解一些 ESD 基礎知識。 

了解 ESD：靜電放電

當具有較高靜電荷的物體與另一個具有較低電荷的物體接觸時，電子從一個物體流向另一個物體。這種電荷的突然重新分佈可能會導致在很短的時間內快速流過高電流，並發生災難性的 ESD 事件。這種快速、高電位的瞬態現象可能會嚴重損壞或降低受影響集成電路 (IC) 的性能，從而導致嚴重的 ESD 損壞。

使用人體模型 (HBM) 的組件級 ESD 保護

任何 IC 都容易受到 ESD 威脅，即使在控制良好、清潔的 IC 製造環境中也是如此。加工、組裝、測試和包裝在任何製造步驟中都會暴露於 ESD。半導體行業使用不同的測試模型來模擬 ESD 事件，以確定特定 IC 的 ESD 穩健性。每個 IC 都需要經過一定程度的 ESD 測試，以證明其適合使用。HBM 是最廣泛接受的 ESD 測試，可確保 IC 能夠在製造過程中倖存下來，提供有效的 ESD 控制。它使用的測試裝置模擬帶電人體接觸 IC 並通過 IC 將災難性 ESD 放電到地面的場景。人體是最常見的 ESD 發生器之一，電荷轉移僅通過物理接觸發生。 

HBM 測試涉及通過電阻器對電容器進行放電，模擬從人體到 IC 的 ESD。測試電壓範圍為±2kV至±8kV。HBM 由一個 100pF 電容器組成，充電至所需的測試電壓，並通過 1500Ω 電阻器向被測 IC 放電。該 RC 網絡創建一個電流源，複製注入被測設備的帶電人體。設備必須在測試中完好無損。測試設置如圖2所示。該測試的電流波形如圖3所示。元件級HBM電流浪湧的上升時間為5-10ns，衰減時間約為150ns。

圖 2. 元件級 HBM 仿真電路




圖3. HBM 電流波形

系統級 ESD 保護：IEC 61000-4-2 標準

IEC 61000-4-2 是一項廣為接受的國際 ESD 測試標準，在系統級硬件上使用人體模型。該系統級 ESD 標準與 HBM 一樣，也模擬帶電人員向電子系統放電。但 IEC 61000-4-2 標準比 HBM 定義的組件級 ESD 更為重要。該系統級測試旨在確保設備能夠在實際應用最終用戶手中的不同操作條件下承受瞬態事件，包括防雷保護。為此，發布的產品必鬚根據模擬真實瞬態條件的嚴格 ESD 標准進行測試。

 IEC 61000-4-2 測試裝置使用充電至指定電壓的 150pF 電容器。然後通過 330Ω 電阻將其放電至組件引腳。測試設置如圖 4 所示，ESD 電流波形如圖 5 所示。上升時間很快，為 0.7 至 1ns，在 30ns 處出現第二個峰值，總持續時間僅為 60ns。請注意，與組件級 HBM 測試（圖 2）設置相比，系統級 IEC 61000-4-2 測試設置（圖 4）中通過更小的電阻器對更大的電容進行放電。此設置會更改電流波形的上升時間和峰值電流值。

圖4.系統級IEC 61000-4-2仿真電路 

圖 5. IEC 61000-4-2 電流波形

IEC 61000-4-2 根據兩種不同的測試程序（接觸法和空氣放電法）分為四個標準級別（1 級到 4 級）。接觸放電法是通過 ESD 測試槍與被測器件直接接觸，將 ESD 引入到器件中。空氣放電法用於無法進行接觸放電測試的情況。在這種情況下，將 ESD 測試槍拉近，但不接觸被測元件。圖 6 顯示了接觸放電法和空氣放電法。 

圖 6. 接觸放電法（左）和空氣放電法（右）

表1列出了接觸放電法和空氣放電法的四個級別和測試電壓。該表顯示 8kV 的 4 級接觸放電相當於 15kV 空氣放電。 

表 1. IEC 61000-4-2 測試級別

±2kV ESD 保護對於物聯網設備是否足夠？

現在我們知道了 HBM 和 IEC 61000-4-2 測試模型，讓我們檢查組件級和系統級測試的 ±2kV 峰值電流水平。峰值電流是 IC 能否通過 ESD 測試的重要參數。表2為峰值電流數據對比。從表2中可以看出，±2kV HBM的峰值電流為1.33A，±2kV系統級的峰值電流為7.5A。±2kV HBM 的峰值電流比 ±2kV IEC 61000-4-2 的脈衝電流低 5.6 倍。表2還顯示±8kV HBM測試的峰值脈衝電流（5.33A）低於±2kV IEC 61000-4-2級別測試（7.5A）。這意味著，即使 IC 通過了 ±8kV 組件級 HBM 測試，它也可能會因 ±2kV 系統級 IEC 61000-4-2 測試而損壞。 

表 2. 峰值電流比較

圖7顯示了±8kV測試電壓下兩個峰值電流的波形比較。從該圖中可以看出，IEC 61000-4-2 的第一個峰值發生在不到 1ns 的上升時間內，並且峰值電流非常高。HBM 的最高峰值出現在 5-10ns 左右，峰值電流遠小於 IEC 61000-4-2。即使第二個峰值電流也在 18A 左右，這遠遠超過了 HBM 的峰值。總體而言，IEC 61000-4-2 承載的能量遠高於 HBM 曲線。需要更快、更強大的 ESD 保護來保護任何電路免受系統級 ESD 的影響。

圖 7. HBM 和 IEC 61000-4-2 之間的峰值脈衝電流比較

罷工次數是另一個需要考慮的重要事項。在組件級 HBM 中執行 1 次正電擊和 1 次負電擊，而 IEC 61000-4-2 要求至少 10 次正電擊和 10 次負電擊，IC 才能正常工作。IC 可以承受一次 ESD 衝​​擊，但可能會在任何重複的 ESD 衝​​擊中損壞。±2kV ESD保護足夠嗎？最直接的答案是設計或系統工程師應考慮系統級 IEC 61000-4-2 標準來確定 IC 是否能夠承受 ESD 事件。±2kV 元件級 HBM 有利於製造環境。但係統級 IEC 61000-4-2 測試對於 IC 在最終用戶環境中的生存是必要的，特別是在傳感器和設備可能位於室外或惡劣工業環境中的物聯網應用中。

在物聯網設備中實施 ESD 保護：瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管等

前面的討論顯示了 IoT 設備需要什麼類型的 ESD 或電路保護器件。現在，我們還回顧一下如何為物聯網端口和接口提供足夠的保護，使其免受電氣過壓 (EOS) 事件的影響。ESD 保護可以通過在數據或電源線上放置瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管來實現，以在快速上升時間瞬態事件期間保護接口。如果沒有適當保護，瞬態事件可能會損壞物聯網傳感器和設備。TVS 二極管可在一納秒內阻止系統級 ESD 峰值，從而將高電流從數據端口轉移，從而保護數據端口免受 ESD 威脅。在正常工作條件下，TVS 二極管為電路提供高阻抗路徑，使器件呈現開路狀態。它不會干擾信號傳輸。

表 3. IoT 設備每個接口和端口的 ESD 保護器件

圖 8. IoT 設備的 ESD 保護

確保物聯網的未來：電路保護器件和 ESD 保護

物聯網設備和應用程序顯著提高了我們的生活質量。它提高了生產力，減少了人力，並提高了工業和製造應用中的工作安全性。據《財富商業洞察》預測，全球物聯網市場規模預計將從 2023 年的 6622.1 億美元增長到 2030 年的 33529.7 億美元，複合年增長率為 26.1%。隨著物聯網的廣泛普及，使用瞬態電壓抑制二極管等元件充分保護每個物聯網接口、數據和通信端口免受 ESD 威脅至關重要。Semtech 是高效且值得信賴的 ESD 保護產品的領先製造商。在設計您的下一個 IoT 設備或應用程序時聯繫 Semtech，並保護其免受所有可能的 ESD 和 EOS 事件的影響。