Příčiny vzniku elektrostatického výboje
Elektrostatický náboj vznikne při tření dvou izolačních ploch o sebe, vlivem toho se hromadí elektrony na jedné ploše a na druhé se uvolňují. Tím pádem mají plochy různý potenciál a při jejich přiblížení k sobě dojde při určité vzdálenosti ke vzniku elektrostatického výboje. Elektrostatický výboj je miniaturní záblesk elektrostatického náboje. Vznikne tehdy, pokud elektrostatické napětí překoná dielektrickou pevnost materiálu (např. vzduchu). Při elektrostatickém výboji krátce pozorujeme intenzivní průtok elektrického proudu, který může poškodit polovodičový obvod.
Velký vliv na velikost elektrostatického napětí bude mít prostředí. V zimních měsících klesá vlhkost v obytných prostorech pod 40 % a napětí elektrostatického výboje může narůst až na 15 kV. Vysokým hodnotám napětí lze zabránit klimatizací s řízenou vlhkostí, použitím antistatických materiálů podlah a čalounění; nošením oděvů z přírodních materiálů (např. bavlna).
Charakteristika elektrostatického výboje
-
Vysoké průrazné napětí – až 15 kV
-
Vysokofrekvenční obsah impulsního rušení – až 1 GHz
-
Energie výboje – do 10 mJ
-
Ekvivalentní kapacita těla je cca 100 ÷ 200 pF
-
Odpor "vybíjecí" paže člověka je 100 Ω až 2 kΩ
-
Proudový vybíjecí impulz je velký a velmi rychlý - během jediné ns dosáhne velikosti několika jednotek až desítek A.
Působení elektrostatického výboje na součástky a obvody
Elektrostatický výboj může ovlivnit funkci i životnost elektronického zařízení či jeho součástek buď přímo (přímý výboj), nebo indukcí magnetickým či elektrickým polem do jiných signálových obvodů. Poškození integrovaného obvodu vlivem elektrostatického výboje jsou většinou v takovém rozsahu, že zařízení bez výměny poškozeného integrovaného obvodu nebude plnit svou funkci. Přetížení vlivem elektrostatického výboje může někdy způsobit skryté vady nebo zhoršení parametrů, jako např. větší svodové proudy. Tyto skryté vady mohou ovlivnit životnost zařízení a jeho spolehlivost.
Poškození integrovaného obvodu:
- roztavení vodivých spojů nebo rezistorů
- poškození polovodičových přechodů nebo kontaktů
- poškození dielektrické izolace
Testování odolnosti vůči elektrostatickému výboji
Zkušební generátor
Zkušební generátor se skládá ze základní jednotky, která obsahuje zdroj vysokého napětí 0 až 18 kV, řídicí obvody a ovládací prvky. Druhou částí simulátoru je vybíjecí pistole. Ta se připojuje vysokonapěťovým kabelem k základní jednotce a plochým kabelem k referenční zemní rovině.
Uvnitř pistole se nachází nabíjecí kondenzátor o kapacitě 150 pF, přepínač polarity a vysokonapěťové relé, kterým je v intervalech 1 s nebo delších přiváděno vysoké napětí do vybíjecí hlavice. Ta obsahuje vybíjecí odpor 330 ohmů a je zakončena vybíjecím hrotem, kterým se vysokonapěťové impulzy aplikují na zkoušené zařízení.
- Rc – nabíjecí rezistor
- Rd – vybíjecí rezistor – představuje vnitřní odpor lidského těla, které drží kovový předmět
- Cs – kondenzátor akumulující energii – představuje kapacitu lidského těla
Pro zkoušky přímým výbojem nebo nepřímým výbojem s vazební deskou se používá hlavice s ostrým hrotem, pro zkoušky vzduchovým výbojem hlavice s oblým hrotem.
Výboj generátoru má definovanou charakteristiku. Vše je popsáno v normě 61000-4-2 v kapitole 6.2 Ověření charakteristik elektrostatického výboje. V definovaných časových intervalech se musí provést kalibrace generátoru certifikovanou zkušebnou. Tento interval je obvykle 1 rok. Bez této certifikace je výsledný report jen kusem papíru.
Zkušební pracoviště
Zkušební sestava se skládá z dřevěného stolu výšky 0,8 m, který stojí na referenční zemní rovině. Referenční zemní rovina musí být zhotovena z kovového plechu o minimální tloušťce 0,25 mm. Minimální velikost roviny je 1 m2. Referenční rovina musí přesahovat na všech stranách alespoň 0,5 m. Vazební desky musí být vyrobeny ze stejného materiálu jako referenční zemní rovina. Mezi zkoušeným zařízením a stěnami laboratoře či kovovými konstrukcemi musí být dodržena vzdálenost minimálně 1 m. Důležité je dodržení klimatických podmínek, důraz se klade především na relativní vlhkost, která ovlivňuje velikost elektrostatického výboje.
Klimatické podmínky v laboratoři:
- Okolní teplota: 15 – 35 °C
- Relativní vlhkost: 30 – 60 %
- Atmosférický tlak: 86 – 106 kPa
Provedení zkoušky elektrostatickým výbojem
Zkušební výboje statické elektřiny se provádějí do těch míst a povrchů zkoušeného zařízení, která jsou přístupná obsluze při užívání zařízení. Není dovoleno provádět vybíjení do těch míst, která jsou přístupná jen pro účely údržby, s výjimkou provádění údržby uživatelem, pokud není předepsáno v dokumentaci výrobku jinak.
- všechna místa na ovládacím panelu či klávesnici, příp. jiná místa styku člověka se zařízením (vypínače, knoflíky, tlačítka), která jsou přístupná operátorovi zařízení;
- všechny kovové části skříně zařízení elektricky izolované od země;
- všechny indikační a jiné z vnějšku přístupné elementy (ukazatele, světelné diody, mřížky, kryty konektorů apod.).
Místa, na kterých by se měly provádět výboje, se mohou vybrat průzkumem při četnosti opakování 20 a více výbojů za sekundu. Jedná se o tzv. vytipování kritických míst zařízení.
V roce 2001 došlo k úpravě normy, kde se specifikuje test na zařízeních, která nejsou uzemněna. Neuzemněná zařízení se nemohou samovolně vybít, tak jako se vybijí síťově napájené zařízení třídy I. Nezanikne-li náboj před aplikací následujícího výboje, je možné, že testovaná zařízení budou namáhána až do dvojnásobku určeného zkušebního napětí. Proto se musí tento náboj odvést pomocí odporu 470 kΩ před každým následným zkoušeným výbojem. Přípravek, který je k tomuto účelu určen, vidíte na obrázku.
V normě je uvedeno, že se má provést do každého místa nejméně deset jednotlivých výbojů, a to v polaritě, na kterou je zařízení citlivější. V praxi se aplikuje 10 záporných a 10 kladných výbojů. Zkušební napětí výboje se zvyšuje od nejmenší předepsané hodnoty, až po úroveň specifikovanou výrobcem zkoušeného zařízení pro požadovaný stupeň odolnosti.
Běžně se začíná s výbojem 0,5 kV a postupně se zvyšuje na 1 kV, 2 kV, 4 kV až na 8 kV. Testovací pracovník má radost, když je potřeba zjistit maximální hodnotu napětí, kterou zařízení ještě přežije. V tomto případě se napětí výboje zvyšuje do té doby, než se zařízení zničí.
Druhy zkušebních výbojů
Přímý výboj – u tohoto druhu výboje se použije ostrý nebo zaoblený hrot, podle druhu krytí. Pokud je kryt kovový, použije se ostrý hrot. Při zkoušce přímým výbojem se musí hrot vybíjecí elektrody dotýkat zkoušeného zařízení dříve, než se sepne vybíjecí spínač. Časový interval mezi jednotlivými výboji je doporučen 1 sekunda. Jestliže je proveden nátěr, musí se postupovat následovně: není-li výrobcem doloženo, že nátěr bude izolační, musí ostrý hrot projít až na kovovou část. V opačném případě se provede zkouška vzduchovým výbojem.
Vzduchový výboj – použije se zaoblený hrot. Ten se musí přibližovat tak rychle, jak je to jen možné, až se dotkne zkoušeného zařízení (aniž by způsobil mechanické poškození). Po každém výboji se musí generátor od zařízení oddálit. Při zkoušce vzduchovým výbojem musí být vybíjecí spínač generátoru sepnutý.
Nepřímý výboj prostřednictvím vazební desky - postihuje rušivé účinky vznikající při nepřímém elektrostatickém výboji do kovových předmětů nacházejících se v blízkosti zkoušeného zařízení v důsledku elektromagnetické indukce. Opět se provádí 10 kladných a 10 záporných impulsů. Výboje se provádí ostrým hrotem do vazební desky. Vazební deska je vzdálena od zařízení 10 cm. Zkoušení se provádí ve všech pozicích zařízení vůči vazební desce, aby byly všechny strany zkoušeného zařízení plně pokryty výboji.
Výsledek zkoušky je rozdělen dle čtyř kritérií:
1. Normální činnost v rozsahu mezí ve specifikaci
2. Dočasné zhoršení nebo ztráta funkce nebo činnosti, která se sama obnovuje. Například dojde pouze k resetu procesoru.
3. Dočasné zhoršení nebo ztráta funkce nebo činnosti, která vyžaduje zásah obsluhy nebo znovu nastavení systému. Obsluha musí zařízení resetovat.
4. Zhoršení nebo ztráta funkce, která není obnovitelná vlivem poškození zařízení, programového vybavení nebo ztráty dat. Například dojde ke smazání paměti Flash. Musí dojít k opětovnému nahrání firmware programátorem.
Závěr:
Testování odolnosti vůči elektrostatickému výboji je poměrně snadná záležitost. Jelikož se však testuje na finálním prototypu, můžou nastat nemalé komplikace. Pokud při testování přeskočí výboj dovnitř zařízení a ovlivní jeho chování, začne se hledat příčina. Začínáme kontrolou rozmístění součástek na problematických místech, vzdálenostmi součástek od konstrukce. Většinou se pak problém vyřeší změnou rozmístění součástek na plošném spoji. Nevhodně umístěný prokov dokáže rovněž napáchat hodně problémů. Někdy se stává, že se musí udělat zásah přímo do konstrukce zařízení. Proto se při vývoji nesmí tato problematika nikdy podceňovat. V této oblasti se totiž ukážou zkušenosti celého vývojového týmu!
Odkazy:
- Encyklopedie EMC - 8.9 Zkoušky odolnosti vůči elektrostatickým výbojům
- EN 61000-4-2, 1997; EMC - Oddíl 2: Elektrostatický výboj - zkouška odolnosti
