Difendersi dalle scariche elettrostatiche

Questo articolo illustra le problematiche relative alle ESD (electrostatic discharge) per la progettazione di applicazioni basate su microcontrollore; la parte successiva proporrà alcune tecniche hardware per migliorare la robustezza del sistema.

La progettazione moderna spinge, per esigenze di mercato, verso la riduzione dei costi, spesso sacrificando un’accurata progettazione dello stadio di alimentazione e un controllo accurato sulla compatibilità elettromagnetica (EMI). I progettisti allora sono costretti già in fase di design a considerare possibili soluzioni che prevengano i problemi relativi a possibili interferenze elettromagnetiche e a garantire l’immunità ai disturbi.

Introduzione

I prodotti elettronici commerciali possono presentare problemi relativi alle scariche elettromagnetiche (ESD, Electrostatic Discharge) o ai transitori elettrici veloci (EFT, Electrical Fast Transients). Queste tipologie di disturbi sono definite nella normativa IEC 61000-421 (o ANSI C63.16) e nella IEC 61000-4-42, rispettivamente. Le normative includono metodologie di test attuabili dai produttori OEM al fine di soddisfare i requisiti previsti dalla regolamentazione. La forma d’onda prevista per le ESD è pensata per simulare la scarica proveniente da un operatore e deve essere iniettata sul dispositivo in ogni punto che l’operatore potrebbe toccare, inclusi sistemi di controllo e connettori. Il livello delle ESD varia in base all’applicazione. Valori per contatto in aria in applicazioni commerciali sono solitamente inferiori a 2 kV, in alcune applicazioni automotive si raggiungono valori anche di 20 kV. La forma d’onda della scarica ESD definita nella IEC 61000-4-2 ha un tempo di salita compreso tra 0,7 ns e 1,0 ns; questo si traduce in una banda di rumore di circa 450 MHz. La forma d’onda EFT simula il transitorio generato, per esempio, dalla commutazione di un relé o dalla rimozione di un carico induttivo dall’alimentazione. Principalmente tale disturbo dovrebbe manifestarsi sui cavi di alimentazione dei dispositivi, ma può essere anche applicato ai segnali di controllo per simulare accoppiamenti delle EFT sulle linee di segnale. Tipicamente il segnale EFT ha un livello di 4 kV, che può salire per alcuni ambienti critici. La forma d’onda prevista per le EFT dalla IEC 61000-4-4 ha un tempo di salita compreso tra 3,5 ns e 6,5 ns e quindi una banda di rumore di 90 MHz.

Dove nascono i problemi

Durante una scarica ESD o EFT una applicazione a microcontrollore è ovviamente soggetta a un degrado delle prestazioni. I fattori che incidono sulla robustezza del sistema sono vari, in figura 1 si può vedere una grafico a torta che permette di comprendere anche il peso di tali fattori. Si può vedere come il design del sistema incida notevolmente, così come il design del PCB. Anche la realizzazione del microcontrollore è importante, infatti il chip potrebbe già essere equipaggiato con dispositivi di protezione ESD sugli I/O o avere circuiteria EMC dedicata. Concentriamoci sul microcontrollore e vediamo quali sono le zone vulnerabili. Le aree più soggette a problemi di ESD e EFT sono:

pin di alimentazione e massa;
ingressi digitali sensibili ai fronti;
ingressi digitali ad alta frequenza;
ingressi analogici;
pin di clock;

pin con più funzioni multiplexate. Alcuni microcontrollori hanno vari pin di alimentazione e di massa per isolare i segnali digitali ad alta velocità dalle funzioni a bassa velocità o dalle funzioni analogiche sensibili al rumore. Questi pin possono essere abbinati a filtri per prevenire i disturbi in quella particolare zona. Una considerazione di questo tipo non è possibile se il microcontrollore è di tipo low-cost e ha solo una coppia di pin per alimentazione e massa. Un transitorio che si propaga sulle linee di alimentazione potrebbe, potenzialmente, compromettere tutta la circuiteria collegata alla distribuzione di tensione. Gli ingressi sensibili ai fronti sono particolarmente vulnerabili durante i transitori. Infatti questi pin sono solitamente timer o interrupt, e anche nel caso in cui vi sia collegato un filtraggio, impulsi di ampiezza elevata possono iniettare sufficiente energia per danneggiare la CPU. Anche nel caso in cui non creassero danni alla CPU i transitori potrebbero propagarsi come glitch (vedi figura 2). Gli ingressi digitali per segnali veloci solitamente evitano filtraggi particolari, perciò possono interpretare transitori come dati validi. Gli ingressi analogici hanno solitamente una bassa impedenza d’ingresso, perciò una scarica ESD può danneggiarli, non a caso essi sono spesso multiplexati con pin di I/O general purpose e hanno finestre di campionamento ridotte. I pin di clock disturbati dai transitori possono portare le logiche a interpretare fronti di clock inesistenti e disturbi sui pin multiplexati si possono propagare all’interno del microcontrollore fino a guastarne alcune parti.

Figura 1: componenti che incidono sull’immunità ai disturbi di un prodotto.

Figura 2: un transitorio genera un glitch.

Modalità di fallimento del microcontrollore

Le modalità con cui un circuito integrato può andare incontro a un fallimento (o guasto o avaria) sono classificate in cinque categorie dalla IEC 62132-1, vedi tabella 1. La classificazione è basata dalle performance dell’IC in presenza di ESD o EFT e dipende dal tipo di IC e dalle sue funzioni. Per le CPU un degrado di prestazioni può avere diverse forme, fenomeni di latch-up, corruzione della memoria, codice in esecuzione involontaria ecc. Molto interessante risulta la classe C, infatti un circuito di reset opportunamente progettato può riportare il microcontrollore in uno stato conosciuto e operativo. Questo ovviamente a patto che l’hardware non sia danneggiato, situazione questa non prevista dalla classe C.

Tabella 1: classificazione IEC del degrado di prestazioni di un IC.

Come le ESD intervengono nel mercato dei microcontrollori

Il trend di sviluppo dei microcontrollori si scontra con le esigenze di immunità ai transitori. La riduzione continua della lunghezza di gate dei transistor spinge i produttori di semiconduttori a realizzare die sempre più compatti per ridurre i costi. Mantenere un buon livello di immunità in queste situazioni risulta difficile. Se poi abbiniamo le ulteriori esigenze di riduzione dei costi relative al resto della scheda e del prodotto in generale è ovvio pensare che la resistenza alle ESD venga trascurata. Ai progettisti è quindi affidato l’arduo compito di dissipare l’energia proveniente da una scarica prima che questa arrivi al cervello della scheda. Per far ciò è bene avere chiari gli obiettivi e realizzare già in fase progettuale alcuni accorgimenti hardware che permettano di rendere il sistema maggiormente resistente alle scariche ESD e EFT. Lavorare sull’hardware per migliorare l’immunità alle ESD Lavorare sull’hardware di un prodotto permette di delineare in partenza l’immunità di questo rispetto ai disturbi, l’obbiettivo è infatti proteggere il degrado di prestazioni del microcontrollore e garantirne l’affidabilità sul lungo periodo. Lavorare sull’hardware della scheda a microcontrollore è il primo e decisivo passo, cui può seguire anche un lavoro software, il quale però non riduce il livello dei transitori a cui il microcontrollore è sottoposto, ma gestisce solo l’impatto che questo può avere sui segnali di controllo. Per lavorare sull’hardware è necessario conoscere bene quale componentistica può aiutare a migliorare il margine di immunità ai disturbi. La breve panoramica che segue si occupa proprio di questo. I componenti utilizzati per sopprimere o controllare i transitori possono essere suddivisi in due categorie:

componenti che “deviano” le correnti di transitorio (essenzialmente limitatori di tensione);
componenti che “bloccano” le correnti di transitorio (essenzialmente limitatori di corrente).

Si noti che in funzione della banda di frequenza del transitorio (tempo di salita) un componente potrebbe lavorare in entrambe le modalità. Ad esempio per basse frequenze un induttore avrà una piccola impedenza (funzionando come limitatore di tensione), ad alte frequenze avrà invece un’impedenza elevata e funzionerà da “blocco” per i transitori.

Analizziamo la componentistica che può aiutarci con le ESD

Una resistenza in serie tra due nodi è il metodo più economico ed efficiente per proteggere contro i transitori. Le resistenze possono essere utilizzate anche per creare filtri passabasso e disaccoppiare domini di alimentazione diversi. Il loro impiego principale è nella protezione di segnali digitali o analogici contraddistinti da basse correnti e che possono accettare una lieve caduta di tensione sul resistore.
Capacità. Si possono utilizzare capacità per i bypass, per accumulare carica (funzionando come limitatori delle variazioni di tensione) e come disaccoppiatori di alimentazione. In ogni caso funzionano sempre come limitatori di tensione a energia limitata, in grado di assorbire impulsi rapidi. Adatti quindi per ESD e EFT e non come limitatori per carichi induttivi, per esempio. Ovviamente la scelta della massima tensione DC che possono sopportare deve essere scelta accuratamente per funzionare come “limitatori” dei transitori.
Ferriti, beads e Sono usati per disaccoppiare domini di alimentazione creando filtri passabasso. In queste applicazioni sono in grado di bloccare o limitare i transitori grazie alla loro impedenza legata alla frequenza del segnale in gioco. Sono componenti adatti per proteggere linee di alimentazione e segnali analogici o digitali caratterizzati da correnti elevate o che non tollerano la caduta di tensione imposta da una resistenza in serie. I parametri più importati da valutare nella scelta del componente corretto sono la massima corrente DC tollerata e la resistenza parassita dell’avvolgimento.
Common-mode chokes. Sono componenti in grado di sopprimere segnali di modo comune avendo un effetto trascurabile su segnali di modo differenziale in frequenza. Questo li rende uno dei modi più efficaci per proteggere i componenti dai transitori. Abbinati a una capacità formano filtri passabasso molto efficienti.
Transient Voltage Suppressors. Sono componenti utilizzati per controllare e limitare la tensione che si crea tra due punti. Il TVS realizza il suo compito realizzando un camping della tensione e una deviazione della corrente dalla parte di circuito sensibile, ovviamente nel momento in cui le condizioni ne determinano l’innesco. I TVS hanno una velocità di risposta inversamente proporzionale alla corrente che possono gestire, per questo spesso si associano dispositivi veloci con un livello di corrente basso con dispositivi lenti ma con livelli di corrente elevati. I TVS sono spesso utilizzati per sopprimere i transitori sulla tensione di rete alternata o sulla tensione stabilizzata, oppure per eseguire il camping degli impulsi di corrente dovuti a carichi induttivi.
Varistori. Il varistore o MOV è un componente bipolare, non lineare, simmetrico, in grado di dissipare energia attraverso un materiale solido composto nella maggior parte dei casi da un ossido di metallo. L’effetto consiste nel tagliare transitori positivi e negativi a corrente elevata; la controindicazione è la tensione di innesco che può variare dal valore specificato. Questi dispositivi sono tra i migliori relativamente a quelli non lineari per la protezione degli apparecchi elettronici dalle tensioni di transitorio provenienti dall’alimentazione di rete.
Diodi a valanga e Sono diodi pensati per essere utilizzati per lavorare nella zona di breakdown, polarizzati inversamente. Solitamente i diodi Zener hanno una tensione di breakdown inferiore a 5 V mentre gli altri solitamente superano gli 8 V.

Alimentazione del sistema e punto d’ingresso dei segnali

Lavorando sull’hardware di una scheda, occorre per prima cosa eliminare il problema dei transitori nel punto in cui le alimentazioni e i segnali arrivano o vengono generati sulla scheda. Se si garantisce una buona immunità alla sorgente del segnale allora l’hardware rimanente sarà tutelato e il beneficio sarà doppio: il rischio di ottenere un prodotto non conforme viene ridotto e il costo per applicare altre tecniche di protezione contro i disturbi viene meno. In commercio esistono numerosi componenti commerciali che eseguono un filtraggio dell’alimentazione o dei segnali, disponibili sia in package standardizzati sia in formati custom. Se non si applicano tecniche di riduzione dei transitori alle origini dei segnali, il problema della compatibilità aumenta di complessità perché si perde il controllo di immunità dei segnali, con il risultato di dover applicare altre tecniche hardware per garantire buone prestazioni di EMC. Questa situazione è mostrata in figura 3.