Dor de cabeça dos projetistas de ESD com vários requisitos de teste automotivo, parte I

A tendência para a "eletrificação inteligente" da sociedade está levando à necessidade de imunidade ESD no nível do sistema. A IEC 61000‑4‑2 [1] define como realizar o teste de imunidade a descarga eletrostática no nível do sistema. Até cerca de 15 anos atrás, a proteção contra tais eventos envolvia a implementação de proteções ESD ad-hoc (TVS – supressores de tensão transiente) no nível da placa/sistema próximo aos conectores que fazem interface com o "mundo externo".

No entanto, uma nova tendência de implementação de robustez no nível do sistema no nível do componente (ou seja, no chip) está rapidamente se tornando uma prática padrão, decorrente principalmente do desejo de reduzir os custos de design do sistema/placa.

Embora isso possa parecer uma etapa lógica no papel, representa enormes desafios para o projetista de componentes ESD, pois:

No mundo automotivo, a situação é ainda mais desafiadora. Além da imunidade ESD no nível do sistema (ISO 10605 [2], adaptado da IEC 61000-4-2), há uma infinidade de outros requisitos que abordam a imunidade a ambos os distúrbios elétricos (ISO 7637 [3, 4, 5]) e a distúrbios de RF (IEC 62132 [6]) que devem ser atendidos.

Este artigo está dividido em duas partes. Esta primeira parte aborda os desafios do projeto ESD decorrentes das especificações ISO 10605, enquanto a segunda parte revisará as compensações entre o projeto ESD e os requisitos de imunidade EMC.

Para atender à demanda por soluções IEC ESD no chip de área competitiva (com metas superiores a 30A para especificações de nível 4), a implementação de um esquema de proteção baseado em SCR é obrigatória. Graças à sua baixa tensão de retenção, esta solução é extremamente vantajosa em termos de dissipação de energia. No entanto, isso pode ter o custo de uma grande oscilação entre a tensão de disparo e a tensão de retenção, o que pode causar condução de corrente não uniforme e tornar a solução ineficaz. Isso desempenhará um papel nas diferenças específicas entre IEC 61000-4-2 e ISO 10605 de uma perspectiva de projeto ESD.

A ISO 10605 especifica quatro combinações RC diferentes (R=330Ω, R=1.5KΩ, C=150pF e 330pF), levando a tempos de decaimento de pulso variando de 60ns a 600ns. A(s) combinação(s) RC real(is) necessária(s) no nível da placa/sistema pode não ser conhecida no momento do projeto do componente. A consequência direta é que o projetista de ESD precisa validar a solução ESD em todas as quatro formas de onda de tensão, com larguras de pulso, conteúdos de energia e tempos de subida completamente diferentes.

Em [7], foi relatado que um HV SCR atendendo aos requisitos do nível 4 da IEC (correspondente à ISO com R = 330Ω e C = 150pF) falhou miseravelmente em todas as outras permutações de tensão ISO com capacitância e resistores maiores. A causa raiz foi identificada na falta de escalabilidade de energia do HV SCR causada por uma formação de filamento estático para pulsos superiores a 100 ns. Uma correlação de primeira ordem entre a duração do estresse TLP e o nível ISO também foi estabelecida (ver Figura 1 [7]).

Figura 1: O TLP de pulso longo pode imitar o impacto das várias combinações do teste ISO [7]

Para atingir a meta de desempenho, uma nova arquitetura teve que ser desenvolvida com o óbvio atraso nos esforços de desenvolvimento do produto. Um problema semelhante (ou seja, falta de correlação entre o teste TLP e ISO com R=1,5K Ω) também foi relatado em [8].

Embora as quatro formas de onda de estresse na ISO 10605 sejam razoavelmente bem definidas, não há garantia de que as mesmas formas de onda sejam realmente exercidas no nível do componente. Esta é a principal questão conceitual por trás da noção de implementação da robustez ESD no nível do sistema no nível do componente, ou seja, as formas de onda reais vistas nos pinos conectados externamente do componente são uma função da implementação específica da placa/sistema (traços de conexão e/ou componentes discretos). Em particular, cargas indutivas (ou seja, traços de placa longos, presença de indutores de modo comum ou descargas através de cabos longos) causarão um desvio significativo das formas de onda ISO 10605 esperadas, tanto em duração (pode se tornar muito mais longa) quanto em forma (oscilatória, em vez de decaimento exponencial).