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 trong bài toán EMC Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Sơn

2 Định nghĩa 4

3 Quá trình phóng tĩnh điện 4

4 Khả năng phóng tĩnh điện và ảnh hưởng ESD 5

5 Vị trí bảo vệ ESD trong EMC 6

CHƯƠNG 2 – BẢO VỆ ESD TRONG BÀI TOÁN EMC 7

2.1 Mô hình cơ thể con người 7

2.2 Ngăn chặn sự xâm nhập của ESD 8

2.2.1 Vỏ kim loại: 8

2.2.2 Xử lý cáp vào/ra 10

2.2.3 Vỏ bọc cách điện 14

2.2.4 Bàn phím và 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 hiện lỗi trong luồng chương trình 19

2.6.2 Phát hiện lỗi trong đầu vào / đầu ra 20

2.6.3 Phát hiện lỗi trong bộ nhớ 20

CHƯƠNG 3 - LIÊN HỆ THỰC TẾ 21

3.1 Tiêu chuẩn ESD 21

3.2 Những thương hiệu ESD nổi tiếng 21

3.3 Các đồ dùng/thiết bị khử tính điện phổ biến nhất hiện nay 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

CHƯƠNG 1 - Tổng quan

1 Giới thiệu

Tĩnh điện quen thuộc với tất cả chúng ta dưới như điện bám vào quần áo, phóng điện hồ quang xảy ra khichạm vào tay nắm cửa hoặc vật thể kim loại khác, và như tia sét Điện tĩnh đã được người Hy Lạp cổ đạibiết đến hơn 2000 năm trước Vào thời trung cổ, các pháp sư đã sử dụng hiệu ứng tĩnh điện như một phầntrong '' thủ thuật '' của họ Trong thời đại của chúng ta, tĩnh điện đã được khai thác để thực hiện nhiều chứcnăng hữu ích Ví dụ về các sản phẩm sử dụng nguyên tắc này là máy photocopy tĩnh điện, máy lọc bụi,máy lọc không khí và máy phun sơn tĩnh điện

2 Định nghĩa

Tĩnh điện là sự mất cân bằng điện tích âm và điện tích dương trên về mặt của một vật

Phóng tĩnh điện (Electrostatic discharge – ESD) là hiện tượng trong đó các điện tích tĩnh điện tích tụ trên mộtvật thể đột ngột phóng điện sang một vật thể khác có điện trở đất thấp hơn Sự chuyển dịch điện tích đột ngộtgiữa các vật thể có điện thế tĩnh điện khác nhau với các dòng phóng điện kết quả tạo ra trường điện từ trên mộtdải tần số rộng từ 0 đến vài gigahertz

3 Quá trình phóng tĩnh điện

Tĩnh điện có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau như cảm ứng, hiệu ứng áp điện, …, nhưng phổbiến nhất là bằng tiếp xúc và phân tách vật liệu sau đó Vật liệu có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.Khi hai chất không dẫn điện (chất cách điện) tiếp xúc với nhau, một số điện tích (electron) được chuyển từvật liệu này sang vật liệu kia Bởi vì electron không di động nhiều trong chất cách điện, khi hai vật liệutách rời nhau, điện tích này có thể không quay trở lại vật liệu ban đầu Nếu hai vật liệu ban đầu là trungtính, bây giờ chúng sẽ được tích điện, một dương và một âm Phương pháp tạo ra tĩnh điện này được gọi là

Khả năng tích điện không chỉ phụ thuộc vào vị trí củacác vật liệu trong danh sách trên mà còn phụ thuộcvào, độ mịn của bề mặt độ sạch của bề mặt, áp suấttiếp xúc, lượng cọ xát, diện tích bề mặt tiếp xúc, độnhẵn của bề mặt và tốc độ phân tách Một điện tíchcũng có thể được tạo ra khi hai mảnh của cùng mộtvật liệu tiếp xúc và sau đó tách ra, mặc dù trongtrường hợp này, không thể dự đoán được cái nàotrong hai phần sẽ nhận được điện tích dương và điệntích âm.

có thể phân bố không đồng đều, do đó tạo ra ESD từ một bộ phận của người hoặc cơ thể

4 Khả năng phóng tĩnh điện và ảnh hưởng ESD

Điện tích được đo bằng phương pháp coulombs, rất khó đo Do đó, chúng ta thường đề cập đến điện thế (đobằng vôn) của một vật thể, hơn là điện tích của nó Mối quan hệ giữa điện tích, hiệu điện thế và điện dung là:

Khi các vật được tách biệt về mặt vật lý, sự phân tách điện tích dẫn đến tạo ra một điện trường E giữachúng Nếu trường E này đủ mạnh, có thể xảy ra đánh thủng điện áp giữa các vật liệu; điều này có thể dẫnđến đánh thủng môi trường giữa chúng, gây ra hồ quang và các hiệu ứng điện từ liên quan của nó Khi haivật liệu được tách ra, sự thì điện tích Q vẫn cố định Do đó, V.C là một hằng số Khi các vật liệu gần nhau,điện dung lớn nên điện áp thấp Khi các vật liệu được tách ra, điện dung giảm và điện áp tăng Do đó, khi

ở một khoảng cách nhất định thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện

Ví dụ: C = 10 pF, Q = 1 pC => V = Q / C = l0^9 KV Khi đó với một giá trị nào đó của d - khoảng cách lynhất định, môi trường không khí xen vào có thể bị phóng điện với cường độ điện trường đánh thủng đốivới không khí là 30 MV / m hoặc 30 KV / cm

Tĩnh điện là một hiện tượng bề mặt Điện tích tĩnh chỉ tồn tại trên bề mặt của vật liệu chứ không tồn tạibên trong chúng Điện tích trên chất cách điện vẫn nằm trong vùng mà nó được tạo ra và không được phân

bổ trong vật liệu hoặc trên toàn bộ bề mặt của vật liệu Nối đất một chất cách điện sẽ không loại bỏ điệntích Tuy nhiên, không giống như chất cách điện, một vật dẫn tích điện sẽ mất điện tích nếu được nối đất.Phóng tĩnh điện thường là một quá trình ba bước như sau:

1 Trên vật cách điện sinh ra một điện tích

2 Điện tích này được chuyển đến vật dẫn bằng cách tiếp xúc hoặc cảm ứng

3 Vật dẫn tích điện đến gần vật kim loại thường được nối đất thì xảy ra hiện tượng phóng điện

Ví dụ: khi một người đi ngang qua thảm, đế giày của họ (chất cách điện) bị tích điện khi chúng tiếp xúc vàtách khỏi thảm Điện tích này sau đó được chuyển đến cơ thể của người (một vật dẫn điện) thường là bằngcảm ứng Nếu người đó sau đó chạm vào một vật bằng kim loại (có nối đất hoặc không), thì hiện tượngphóng điện sẽ xảy ra Khi phóng điện xảy ra đối với một vật không được bao bọc (ví dụ: tay nắm cửa),dòng phóng điện sẽ chạy qua điện dung giữa vật đó và mặt đất.

Bản thân một chất cách điện tích điện không trực tiếp là mối đe dọa ESD Vì điện tích trên chất cách điệnkhông di chuyển tự do nên nó không thể tạo ra phóng điện tĩnh Nhưng rủi ro đến từ chất cách điện tíchđiện đến từ khả năng tạo ra điện tích, thường là do cảm ứng, lên vật dẫn điện, chẳng hạn như người, vậtdẫn này có khả năng phóng điện

Ngoài những ứng dụng hữu ích đã được thực tế thì việc phóng tĩnh điện không kiểm soát (ESD) đã trởthành một mối nguy hiểm đến ngành công nghiệp điện tử Kể từ đầu những năm 1960, người ta đã côngnhận rằng nhiều mạch tích hợp (IC), chất bán dẫn oxit kim loại (MOS), các bộ phận điện rời rạc như điệntrở film và tụ điện, và các tinh thể có thể dễ bị hư hại do phóng tĩnh điện Chúng có thể ảnh hưởng đến củathiết bị điện theo nhiều cách khác nhau: bởi trường điện từ cường độ cao do tích điện, do đánh thủng và bởidòng phóng điện gây ra phát xạ dẫn và bức xạ ESD có thể gây ra trục trặc thiết bị dưới dạng hỏng dữ liệu vàkhóa thiết bị và thiệt hại vật chất dưới dạng hư hỏng thiết bị Khi các thiết bị điện tử trở nên nhỏ hơn, nhanhhơn và hoạt động ở điện áp thấp hơn, độ nhạy cảm với ESD của chúng sẽ tăng lên Ví dụ như các mạch vàlinh kiện tích hợp bán dẫn đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi ESD

Kiểm soát ESD là một trường hợp đặc biệt của đối tượng tổng thể EMC Do đó, trong giai đoạn thiết kế,điều quan trọng là phải cung cấp khả năng miễn nhiễm ESD, nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảm tính nhạycảm của hệ thống đối với ESD tương tự như các kỹ thuật được sử dụng để cung cấp khả năng chống nhiễu

và kiểm soát phát xạ bức xạ

5 Vị trí bảo vệ ESD trong EMC

Bảo vệ ESD phải là một phần của thiết kế hệ thống ban đầu Bảo vệ ESD trong EMC cần giải quyết được cácvấn đề:

 Chống nhiễu đầu vào: Thiết kế vỏ triệt tiêu nhiễu bên ngoài, màn chắn điện từ cung cấp bảo vệ ởđiểm nối đầu vào

 Chống nhiễu phần cứng: Reset, ngắt

 Chống nhiễu phần mềm bằng cách viết phần mềm có khả năng sữa chữa khi phát hiện lỗi ở: Luồngchương trình, dữ liệu vào ra, bộ nhớ

Một mạch hoặc hệ thống có thể được bảo vệ khỏi phóng điện tĩnh bằng cách:

 Loại bỏ các nhiễu tích tụ trên nguồn

 Cách điện các sản phẩm để ngăn chặn phóng điện

 Cung cấp một đường dẫn thay thế cho dòng phóng điện để vượt qua mạch nhạy cảm

 Che chắn các mạch khỏi điện trường do phóng đện tạo ra

 Giảm diện tích vòng lặp để bảo vệ mạch khỏi từ trường được tạo ra bởi sự phóng điện

Các hiệu ứng do ESD gây ra trong hệ thống điện tử có thể được chia thành ba loại sau:

 Lỗi phần cứng

 Lỗi phần mềm

 Gây nhiễu

Các lỗi phần cứng gây ra thiệt hại thực tế đến phần cứng hệ thống (phá hủy của một vi mạch) Lỗi phầnmềm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống (bit bộ nhớ bị thay đổi hoặc khóa chương trình) nhưng khônggây ra thiệt hại vật lý Nhiễu không gây ra lỗi, nhưng ảnh hưởng có thể cảm nhận được (Thay đổi chỉ sốđọc trên màn hình trong giây lát).

Tiêu chí của Liên minh Châu Âu về lỗi ESD như sau:

Thiết bị phải tiếp tục hoạt động như dự kiến sau khi thử nghiệm Không được phép suy giảm hiệu suấthoặc mất chức năng Tuy nhiên, trong quá trình thử nghiệm, sự suy giảm hiệu suất được phép Không chophép thay đổi trạng thái hoạt động thực tế hoặc dữ liệu được lưu trữ Nói cách khác, bảo vệ ESD là chophép có nhiễu nhất thời, nhưng không được gây ra lỗi (lỗi phần cứng và phần mềm lên hệ thống)

CHƯƠNG 2 – BẢO VỆ ESD TRONG BÀI TOÁN EMC2.1 Mô hình cơ thể con người

Con người là nguồn phóng tĩnh điện chính vì cơ thể con người dễ dàng tĩnh điện Điện tích này sau đó

có thể được chuyển từ người sang một thiết bị điện tử nhạy cảm dưới dạng phóng tĩnh điện

Đầu tiên ta xác định điện dung ở cơ thể người Ngoài 50 pF của điện dung trong không gian tự do, yếu

tố chính đóng góp vào điện dung của cơ thể là do điện dung giữa lòng bàn chân và mặt đất Điện dung giữa lòngbàn chân và mặt đất là khoảng 100 pF (50 pF trên mỗi foot) Điện dung bổ sung từ 50 đến 100 pF có thể tồn tại

do người đó ở gần các vật thể xung quanh khác Do đó, điện dung của cơ thể con người thay đổi trong khoảng

Mạch hình 1 được sử dụng

trong thử nghiệm ESD để mô phỏng

sự phóng điện của cơ thể con người

Mô hình được sử dụng phổ biến

nhất bao gồm 150 pF và 330 O theo

tiêu chuẩn ESD cơ bản của Liên

minh Châu Âu EN 61000-4-2

Dạng sóng này là sự kết hợp

của hai sự phóng điện như trong

Hình 2 Xung hẹp thời gian tăng

nhanh là sự phóng điện của điện

dung không gian tự do của đầu dò

của thiết bị thử nghiệm ESD (kích

thước và hình dạng của nó được xác

định trong tiêu chuẩn) và xung rộng chậm hơn là sự phóng điện của tụ điện 150 pF mắc nối tiếp với dây đeo nốiđất của người thử nghiệm) Với thời gian rise time rất ngắn từ 0.7-1(ns) và cường độ dòng điện tối đa là 30A vớinguồn phóng 8000V và 15A với nguồn phóng 4000V

2.2 Ngăn chặn sự xâm nhập của ESD

Ba nhân tố phổ biến dẫn đến sự xâm nhập của ESD là vỏ thiết bị, dây cáp và bàn phím hoặc bảng điềukhiển Vỏ có thể bằng kim loại hoặc nhựa, cả hai đều có ưu điểm và nhược điểm Tuy nhiên, các cách tiếp cậngiảm thiểu ESD khác nhau, và chúng được sử dụng trong hai trường hợp

Giả sử độ tự cảm của dây dẫn là 15 nH / in, dây dẫn nối đất dài 6 ft có độ tự cảm khoảng 1 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 của vỏ bọc là nguyên nhân làm cho điện thế của vỏ bọc tăng lên lúc đầu Dâydẫn nối đất sau đó phóng điện dung tiếp đất ký sinh với tốc độ chậm hơn nhiều, đưa vỏ bọc trở về điện thế đất

Hình 2: Dạng tín hiệu đo được

Khi vỏ bọc tăng điện thế do phóng điện, mạch điện bêntrong vỏ bọc cũng tăng lên cùng điện áp Do đó, không

có sự khác biệt về điện thế giữa vỏ và mạch điện, hoặcgiữa các phần khác nhau của mạch điện; mạch điệnđược bảo vệ an toàn tuyệt đối

Với vỏ bọc không liền (ở các đường nối hoặc lỗ) có thểgây ra các điện áp chênh lệch giữa vỏ bọc và mạch,cũng như cho phép trường cảm ứng ESD đi vào bêntrong vỏ bọc và ảnh hưởng lên mạch điện bên trong vỏ

Có thể sử dụng hai cách tiếp cận để giải quyết vấn đềnày Đầu tiên và tốt nhất là làm cho vỏ hoàn chỉnh nhất có thể Vỏ bọc phải nối liên nhất có thể với số lượngđường nối và khe hở tối thiểu Để giảm thiểu trường ESD truyền giữa các mạch, bất kỳ khe hở nào trong vỏ bọcphải có chiều dài tối đa là 25 mm

Cách giải quyết thứ hai là giảm

thiểu diện tích vòng lặp của mạch điện để

giảm thiểu từ trường ảnh hưởng lên mạch

hoặc ta thêm các tấm chắn bên trong để

chặn điện trường giữa vỏ và mạch

Hình 3: Phóng tĩnh điện đến vỏ kim loại bao bọc hoàn toàn mạch điện Mạch không có kết nối bên

ngoài

Hình 4: Phóng tĩnh điện đến vỏ kim loại không bao bọc hoàn toàn mạch điện Mạch không có kết nối bên ngoài

Trường hợp bên không phải là một trường hợp thực tế,

bởi vì mạch không có kết nối với bất kỳ thứ gì bên ngoài vỏ

bọc Ta xét trường hợp mạch bên trong nối đất Khi phóng điện

xảy ra đối với vỏ bọc, vỏ bọc sẽ tăng điện thế Tuy nhiên, do

kết nối đất bên ngoài, mạch vẫn có điện thế gần với điện thế

nối đất Do đó, tồn tại sự chênh lệch điện thế lớn giữa vỏ và

mạch, và có thể xảy ra hiện tượng hồ quang thứ cấp giữa vỏ và

mạch

Hiệu ứng tương tự cũng xảy ra nếu vỏ không nối đất

Trong trường hợp này, thay vì tăng đến khoảng vài nghìn vôn,

như trường hợp với vỏ được nối đất, vỏ có thể tăng lên gần với điện thế của nguồn phóng điện Do đó, nên nối

đất tất cả các vỏ bằng kim loại để bảo vệ ESD

Hồ quang thứ cấp có thể được ngăn

chặn bằng các cách như cung cấp đủ không

gian giữa tất cả các bộ phận kim loại và

mạch điện hoặc bằng cách nối mạch điện

với vỏ bọc kim loại, giữ cho mạch ở cùng

điện thế với vỏ bọc Khoảng cách không

gian phải đủ để chịu được khoảng 2000 V

đối với vỏ được nối đất và 15.000 V đối với

vỏ không được nối đất

Ngay cả khi không có hồ quang thứ

cấp, điện trường mạnh tạo ra giữa vỏ kim loại và mạch điện có thể gây ra sự cố Thông thường, một tấm chắnthứ hai bên cạnh vỏ và xung quanh các mạch nhạy cảm là cần thiết để chặn cảm ứng điện trường

Nếu mạch kết nối với vỏ, kết nối này phải là kết nối điện cảm thấp tại khu vực I/O của bảng mạch in(PCB) Điều này tương tự như kết nối đất giữa mạch với khung được sử dụng để hạn chế bức xạ từ các cáp Do

đó, một kỹ thuật có thể được sử dụng cho hai mục đích

Khi phóng điện đến vỏ bọc, thì điện thế sẽ tăng lên Tuy nhiên, do điểm nối chung giữa mạch được nốivới vỏ bọc nên điện thế mạch tăng lên cùng với vỏ bọc và không tồn tại sự khác biệt điện thế giữa các điểm trênmạch điện hoặc giữa mạch điện và vỏ bọc

3 Điốt triệt tiêu điện áp quá độ

Hình 5: Mạch được bọc thêm một lớp thứ 2.

4 Bộ lọc bypass trên cáp2.2.2.1 Sử dụng cáp được che chắn

Cáp được che chắn là cáp có một lớp dẫn điện chung

xung quanh các ruột dẫn của nó để che chắn điện từ Tấm chắn

này thường được bao phủ bởi một lớp ngoài cùng của cáp Các

loại che chắn cáp phổ biến có thể được phân loại rộng rãi nhất là

Foild Shield, Braid Shield và Braid-over-foild Shield

Để bảo vệ tối ưu, tấm chắn cần phải được liên kết với vỏ

bằng kết nối 360o đối với Braid Shield và Braid-over-foild

Shield Còn với Foild Shield tấm chắn phải được liên kết bằng

một kết nối pigtail và không thực hiện kết nối 360o với vỏ

Để hiểu rõ tầm quan trọng của tấm chắn thíchhợp trong bảo vệ ESD, ta xét vấn đề ESD điểnhình của hai hộp được kết nối với nhau bằng cápđược che chắn như hình bên dưới

Bằng cách sử dụng tấm chắn cáp để kết nối hai

vỏ lại với nhau, hai vỏ sẽ được chuyển đổi thànhmột vỏ Do đó liên kết của tấm chắn với vỏ làthông số quan trọng nhất để xác định hiệu suấtESD Bảng sau liệt kê điện áp đo được trên điệntrở 50 Ohm trong hộp B khi xảy ra phóng điện 10000 V đối với hộp A Trong mọi trường hợp, tấm chắn có liênkết 360o với một trong hai hộp, trong khi tấm chắn chụp đầu cáp của hộp thứ hai là không cố định

Bảng 1: Ảnh hưởng của tấm chắn chụp đầu cáp đối với điện áp do ESD gây ra.

 Khi tấm chắn không được sử dụng hoặc tấm chắn không được kết nối với hộp thứ hai, điện áptrên điện trở 50 Ohm trong hộp B lớn hơn 500V

Hình 6: Các loại cáp phổ biến hiện nay.

Hình 2: Hai vỏ được kết nối với cáp được bảo vệ nhằm biến cả hai

thành một vỏ liên tục.