Xung sét không phải ESD: cổng đã qua 8 kV nhưng chết vì một sợi cáp dài

Cái gì được bảo vệ

Một giao tiếp ra ngoài của thiết bị. Một đầu nối, ngay sau đó là mảng ESD điện dung thấp, rồi tới IC giao tiếp. Cách bố trí này đúng và linh kiện chọn cũng đúng. Layout không có vấn đề, sơ đồ đem đi review cũng không bắt ra được gì.

Bo này được chứng nhận theo IEC 61000-4-2, đúng cái tiêu chuẩn mà ai cũng nghĩ tới khi nói "thử ESD", và nó đã đạt.

Báo cáo thì sạch, hàng trả về thì không

Phóng điện tiếp xúc lên mọi chân lộ ra, tới mức yêu cầu. Không hỏng, không suy giảm, tiêu chí A từ đầu đến cuối. Trên giấy tờ, cổng này được bảo vệ.

Rồi hàng bắt đầu trả về với chân giao tiếp bị chập. Đến khi có người thôi sắp xếp theo ngày mà sắp theo hiện trường lắp đặt, quy luật hiện ra rất rõ và chẳng liên quan gì tới con người: hỏng hóc chỉ nằm ở những hiện trường kéo cáp dài.

Chỉ một dữ kiện đó là đủ kết luận. Bài thử đã đạt và sự kiện gây hỏng không phải là cùng một sự kiện. Phần còn lại của bài này nói về lý do vì sao một linh kiện có thể rất tốt với cái thứ nhất và thiếu sức với cái thứ hai.

Hai sự kiện, một đầu nối

Phóng điện từ người và xung sét đi theo cáp cùng đánh vào một chân, và cùng do một linh kiện chặn, nên chúng hay bị gộp thành một chủ đề. Chúng không phải một chủ đề. Biến số quyết định silic có hỏng hay không thì khác nhau, và biến số đó là dòng điện kéo dài bao lâu.

• ESD, IEC 61000-4-2. Người hoặc vật tích điện chạm vào đầu nối. Ở mức 8 kV tiếp xúc, máy phát là 150 pF nạp tới 8 kV, đẩy ra dòng đỉnh 30 A và toàn bộ sự kiện kết thúc trong khoảng 200 ns. Cả đời sản phẩm chỉ gặp vài lần.
• Xung sét, IEC 61000-4-5. Đóng cắt trên đường dây, hoặc sét đánh ở đâu đó trên cùng tuyến, cảm ứng năng lượng lên sợi cáp. Dạng sóng 8/20 microgiây, dài hàng chục microgiây, và có thể lặp lại mỗi lần nhà máy bên cạnh khởi động một động cơ.

Sợi cáp dài vừa là ăng ten vừa là dây dẫn. Nó chính là lý do sự kiện thứ hai tồn tại, và cũng là lý do cùng sản phẩm đó nhưng lắp với cáp ngắn thì chưa bao giờ gặp lỗi này.

Một bên là dạng sóng, bên kia là đường tải

Khác biệt này không phải chuyện trình bày. Nó cho biết mỗi sự kiện làm gì với linh kiện.

Với ESD, ta vẽ dòng theo thời gian, vì đó là một quá độ có hình dạng. Sự kiện kết thúc trước khi die kịp nóng lên, nên cái quan trọng là linh kiện dẫn nhanh tới đâu và trong lúc đó điện áp vọt lên bao nhiêu.

Với xung sét, ta vẽ điện áp theo dòng, vì sự kiện đủ dài để đi tới một điểm làm việc ổn định. Linh kiện đứng ở đâu đó trên đường ấy suốt hàng chục microgiây. Nó có đường tải đúng theo nghĩa một điện trở có đường tải, và suốt thời gian đứng ở đó die vẫn nóng lên.

Cả hai đều là kết quả đo thật trên PZ0303P-F10 và được in trong datasheet, không phải mô phỏng. Trong datasheet chúng là Fig 4 và Fig 5, và sở dĩ là hai loại đồ thị khác nhau vì chúng là hai loại sự kiện khác nhau.

Mỗi sự kiện thực sự tải bao nhiêu điện tích

Phía ESD thậm chí không cần mô hình gì. Phóng điện tiếp xúc 8 kV đến từ tụ 150 pF nạp tới 8 kV, mà điện tích bằng điện dung nhân điện áp, nên sự kiện này tải 1,2 microcoulomb. Cả lần phóng chỉ có vậy.

Một xung sét 6 A theo dạng sóng 8/20 microgiây tải khoảng 111 microcoulomb, tức là gần 90 lần. Dòng đỉnh nhỏ hơn 5 lần mà điện tích lớn hơn 90 lần, thuần túy vì sự kiện rộng hơn.

Cái bẫy gói gọn trong một câu. Con số được trích là dòng đỉnh, còn con số gây hỏng là thời gian kéo dài. Chọn linh kiện chỉ theo dòng đỉnh sẽ thấy nó dư thừa đến vô lý so với xung sét, rồi nó không trụ nổi.

Cùng một khối silic, hai thông số rất khác nhau

Mở bảng Giá trị giới hạn của PZ0303P-F10 thì cả hai con số đều nằm đó, cùng một trang, hai dòng:

• Theo IEC 61000-4-2, ±16 kV phóng điện tiếp xúc và ±21 kV phóng điện không khí
• Theo IEC 61000-4-5, 6,0 A dòng xung đỉnh ở 8/20 microgiây

Cả hai đều đúng và không hề mâu thuẫn nhau. Đó là cùng một die đem đo với hai sự kiện đòi hỏi những thứ hoàn toàn khác nhau. Người chỉ mang về con số đầu tiên đã nghe đúng sự thật mà vẫn rút ra kết luận sai.

Nói thẳng: 6 A là một thông số xung sét bình thường, và chúng tôi vẫn in nó ra. Một linh kiện xuất sắc ở sự kiện này và bình thường ở sự kiện kia thì nên nói rõ ngay trên trang bìa của chính nó, nếu không thì sẽ thành đúng cái lỗi mà bài này đang mô tả.

Vì sao thứ quyết định lại là nhiệt

Đem hai sự kiện so ngay tại linh kiện thì điện áp ghim gần như không đổi. Datasheet có cả hai: 6,1 V với xung TLP 16 A, và 6,2 V với xung sét 5 A. Dòng chênh 3 lần, điện áp chênh 0,1 V.

Nghĩa là về mặt điện, linh kiện làm gần như cùng một việc trong cả hai trường hợp, vậy mà một bên nó chịu nhẹ nhàng còn bên kia thì đã chạm ngưỡng định mức. Thứ phân biệt hai bên không thể là điện áp ghim, bởi điện áp ghim chính là thứ không thay đổi.

Cái chênh nhau tới hai bậc độ lớn là thời gian die phải gánh dòng đó. Công suất bằng điện áp nhân dòng, năng lượng bằng công suất nhân thời gian. Với điện áp ghim xấp xỉ nhau, dòng chỉ bằng một phần năm nhưng điện tích gấp 90 lần, xung sét đổ vào cùng khối silic một năng lượng lớn hơn nhiều, và đổ chậm tới mức nhiệt không có chỗ nào thoát ngoài chính lớp tiếp giáp.

Khi ESD thực sự gây hỏng, thường là hỏng lớp điện môi. Hỏng do xung sét thì là hỏng nhiệt. Vì thế hai thông số này đi theo hai thứ khác nhau: con số ESD đi theo cách linh kiện dẫn, còn con số xung sét đi theo diện tích die và khả năng thoát nhiệt của kiểu vỏ.

Ba nhóm, ranh giới là năng lượng

Một khi đã chấp nhận thời gian kéo dài mới là biến số, việc chọn linh kiện thôi là chuyện cảm tính và trở thành một câu hỏi có đáp án.

1. Chỉ có ESD, trên đường tốc độ cao. Cổng nằm trong vỏ máy, cáp ngắn, tín hiệu không chịu được tải điện dung. Ở đây điện dung là ràng buộc chính, nên mảng điện dung cực thấp là đúng. PZ0303P-F10, 0,45 pF, 4 kênh.
2. ESD cộng xung sét nhẹ. Cáp ra ngoài nhưng ngắn, mức phơi nhiễm vừa phải. Dùng TVS vỏ SMF hoặc SMA, trong dòng sản phẩm của chúng tôi là 200 W tới 600 W ở 10/1000 microgiây.
3. Năng lượng xung sét thực sự. Cáp dài ra ngoài, môi trường công nghiệp, hoặc load dump trên xe. Dùng TVS vỏ SMB hoặc SMC, 600 W tới 5000 W; nếu sự kiện là load dump thì dùng DO-218, 6600 W tới 8000 W.

Để ý rằng ba nhóm này chia theo khả năng chịu năng lượng, còn điện dung thì đi ngược lại. Linh kiện chịu được nhiều năng lượng nhất có diện tích tiếp giáp lớn nhất nên cũng có điện dung lớn nhất. Đó mới là đánh đổi thật, và là lý do một linh kiện không thể đứng ở cả hai đầu danh sách này.

Chỗ nào cả hai đều thật thì lắp cả hai

Kết luận này thường bị phản đối vì nó thêm một dòng vào BOM. Dù vậy, mảng ESD không trở nên thừa vì đã có TVS, và TVS cũng không trở nên thừa vì đã có mảng ESD.

TVS là linh kiện có diện tích die để hấp thụ xung sét, nhưng nó quá chậm và điện dung quá lớn để một mình bảo vệ đường tốc độ cao. Mảng ESD dẫn rất nhanh và chỉ tải lên tín hiệu một phần nhỏ picofarad, nhưng nó không có đủ silic để trụ trong xung sét suốt hai chục microgiây. Với một cổng thực sự chịu cả hai sự kiện, đặt TVS ở phía đầu nối để nhận năng lượng, và đặt mảng điện dung thấp cạnh IC để hứng phần lọt qua.

Chỉ lắp một con rồi coi như cổng đã được bảo vệ, đó đúng là con đường biến một báo cáo chứng nhận sạch sẽ thành hàng trả về từ hiện trường.

Cần xác định gì trước khi chọn

Ba câu hỏi, và không câu nào hỏi về linh kiện bảo vệ cả.

1. Cáp dài bao nhiêu và có ra khỏi vỏ máy không? Một sợi cáp dẹt trong máy và một tuyến 30 mét ngoài hiện trường không phải cùng một cổng, dù sơ đồ giống hệt nhau.
2. Đầu kia nối vào cái gì, và còn cái gì đi chung tuyến? Tải cảm, mạch lái động cơ và các tuyến chạy song song dài chính là thứ đưa năng lượng xung sét lên cáp tín hiệu.
3. Đường đó chạy tốc độ dữ liệu bao nhiêu? Nó quyết định ngân sách điện dung, và ngân sách điện dung quyết định linh kiện điện dung thấp gánh được bao nhiêu phần việc.

Trả lời xong ba câu đó thì nhóm tự nó lộ ra. Bỏ qua chúng thì việc chọn sẽ do con số nào được in to nhất quyết định.