W tym poście chciałbym opisać sposób wykonywania testów ESD na urządzeniach elektronicznych.
[Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:ESD_(Protected).svg]
Normy:
Norma opisująca konfigurację oraz metody i sposoby testowanie to EN 61000-4-2.
Poziomy narażeń, punkty testowe:
Poziomy narażeń pozwalają na zdefiniowanie do jakiego zakresu urządzenie może zostać przypisane.
Poziomy narażeń dla wyładowań w powietrzu:
- 1 - 2kV
- 2 - 4kV
- 3 - 8kV
- 4 - 15kV
Poziomy narażeń dla wyładować kontaktowych:
- 1 - 2kV
- 2 - 4kV
- 3 - 6kV
- 4 - 8kV
Podczas testów najlepiej celować w pełny zakres wyładowań dla obu rodzajów testów.
Częstotliwość generowania wyładowań nie może być większa niż 1 wyładowanie na sekundę. Stosuje się minimum 10 wyładowań dla każdej polaryzacji.
Stanowisko testowe:
W tej części opiszę standardowe stanowisko testowe, które składa się z drewnianego stołu na którym dokonywane są pomiary urządzenia.
Zdjęcia do poniższego opisu pobrałem ze strony www.esdguns.com
Całe stanowisko testowe prezentuje się następująco:
GRP - Ground reference plane - Płaszczyzna odniesienie. Powinna ona być większa od płaszczyzny HCP o przynajmniej 0,5m z każdej strony. Można ją wykonać np. z miedzi, aluminium (najczęściej spotykane rozwiązanie) czy stali. Należy ją podłączyć do uziemienia głównego.
Stół - stół jest umieszczony bezpośrednio na GRP. Powinien on być drewniany oraz nie zawierać żadnych metalowych elementów np. części łączących nogi ze stołem. W celu zastąpienia śrub metalowych można użyć np. drewna czy plastiku. Stół powinien być wymiarów HCP.
HCP - Horizontal coupling plane - Jest to metalowa płaszczyzna umieszczona bezpośrednio na stole o wymiarach 1.6m x 0.8m. Można ją wykonać z tych samym materiałów co płaszczyznę GRP.
Płaszczyzna izolacyjna - Insulation sheet - na HCP musi być umieszczona płaszczyzna izolacyjna o minimalnym rozmiarze 1,4m na 0,6m (przy zastosowaniu podanych wcześniej wymiarach HCP) oraz minimalnej grubości 0.5mm. Jej zadaniem jest odizolowanie płaszczyzny HCP od urządzenia. Może być wykonana np. z maty silikonowej. Głównie chodzi o uniemożliwienie przeskoku ładunków między warstwą izolacyjną a płaszczyzną HCP.
VCP - Vertical coupling plane - Jest to płaszczyzna umieszczona prostopadle do płaszczyzny HCP o rozmiarach 0.5m na 0.5m. Musi być ona zamocowana na nieprzewodzących nóżkach. Na poniższym zdjęciu płaszczyzna zamontowana jest na plastikowych stojakach. Najczęściej jednak można ją spotkać umieszczoną na stojakach drewnianych. Należy pamiętać aby nie była ona łączona za pomocą metalowych elementów, oraz aby była odizolowana od HCP. Całą płaszczyznę należy podłączyć z GRP za pomocą przewodu z rezystorami 470kOhm.
Uziemienie poszczególnych elementów muszą być podłączone do płaszczyzny GRP (czyli uziemienie pistoletu ESD, urządzenia testowanego, HCP oraz VCP). Dopiero z niej należy wykonać podłączenie do systemu uziemiającego w budynku.
Sposób testowania urządzenia:
Urządzenie testowane jest na dwa sposoby:
Wyładowanie bezpośrednie (ang. Direct Discharge Test):
Wprowadzane bezpośrednio na urządzenie. Należy je wywołać na wszystkich możliwych punktach jakie mogą zostać dotknięte np. obudowa (krawędzie, otwory), przyciski, wyświetlacz, złącza (audio, wideo).
Wyładowanie pośrednie (ang. Indirect Discharge Test):
Wyładowanie należy wprowadzić do płaszczyzny VCP oraz do płaszczyzny HCP w odległości 10 cm od badanego urządzenia.
W obu przypadkach wykorzystuje się końcówkę z ostrym końcem, która jest zbliżana do urządzenia lub do HCP oraz VCP. Po dotknięciu końcówki z obudową/elementami zewnętrznymi. Następuje wyzwolenie ładunku.
Dodatkowo można stosować testy wyładowania w powietrzu. Do tego celu wykorzystuje się końcówkę z zaokrąglonym końcem. Wyładowanie zostaje wyzwalane w momencie zbliżania urządzenia do badanego obiektu.
Należy pamiętać aby urządzenia podczas kolejnych badań zostały możliwie identycznie umieszczone na blacie (np. to samo miejsce położenia urządzenia, identyczny sposób prowadzenia kabli itp. itd.). Zmiany w urządzeniu należy wprowadzać pojedynczo tak aby w produkcie końcowym umieścić tylko te przeróbki, które faktycznie przynoszą efekt.
Problem z odprowadzaniem ładunków:
Zgodnie z nową normą nie można stosować jonizatorów w celu usunięcia ładunków ESD. Z tego powodu warto zastosować inne metody szybkiego odprowadzenia ładunków z urządzenia w celu dokładniejszego prowadzenia testu. Jak np. wykorzystanie szczotki z włóknami węglowymi podłączonej przez przewód z rezystorami 2x470ohm z uziemieniem. Zamiast szczotki dobrze sprawdzi się także rękawica ESD (z nićmi węglowymi). Tak samo podłączona z uziemieniem.
Opcjonalnie można zastosować przerwy pomiędzy wyładowaniami tak aby urządzenie zdążyło się w pełni wyładować przed przeprowadzeniem kolejnego testu. Należy pamiętać aby nie stosować zbyt długich przerw.
Alternatywne sposoby generowania zakłóceń:
Urządzenie do generowania ESD jest dosyć drogie. Wobec tego do domowych sposobów sprawdzenia odporności urządzeń można stosować takie rzeczy jak np.
- Zapalarki do kuchenek gazowych (generujących iskrę),
- Cewki samochodowe,
- Folia bąbelkowa,
- Torba (zip lock bag) z kilkoma monetami w środku (znalezione gdzieś w internecie),
- W Internecie można też znaleźć kilka przykładów wykonania pistoletu ESD,
I wszystkie inne urządzenia które są w stanie wygenerować zakłócenia z przedziału od 8 do 15kV. W przypadku urządzeń domowej roboty, czy tanich gotowców nie można mówić o tym żeby urządzenie po testach spełniało określoną normę. Pozwala to tylko mniej więcej sprawdzić czy przygotowany układ będzie odporny na testowane rodzaje zakłóceń.
Sposoby zabezpieczania urządzeń:
W celu zabezpieczania urządzeń stosuje się np. następujące zabiegi (opiszę tutaj rozwiązania tylko pod kątem ESD):
- Watchdog - w przypadku zawieszenia urządzenia licznik wykonana reset układu. Nie poprawi to co prawda jego odporności na zakłócenia natomiast pozwoli na powrót do normalnej pracy.
- Sprawdzanie komunikacji z dodatkowymi peryferiami - w niektórych przypadkach urządzenie końcowe może zawierać kilka podzespołów sterowanych z różnych układów. W przypadku zakupu części gotowej (np. wyświetlacz sterowany przez dodatkowy układ) może zajść potrzeba wygenerowania resetu urządzenia (np gdy podzespoły nie posiadają watchdoga czy też nie ma możliwości wykonania resetu tego urządzenia). Do tego celu najlepiej wyposażyć główny układ zarządzający w możliwość odcięcia zasilania od pozostałych elementów. Pozwoli to na zresetowanie elementów układów nad którymi nie mamy pełnej kontroli. Taki reset, w przypadku gdy układ nie został permanentnie uszkodzony, pozwoli na przywrócenie normalnej pracy urządzenia.
- Ekranowanie kabli - kable powinny zostać ekranowane. Z jednej lub w szczególnych przypadkach z obu stron.
- Połączenie masy układu z obudową a obudowę z uziemieniem - ładunki muszą być odprowadzone z urządzenia grubym kablem. Przewody muszą być możliwie najkrótsze, tak aby wewnątrz urządzenie nie tworzyły się niepotrzebne pętle.
- Elementy ekranujące - można zastosować blachy nakładane na część lub całość urządzenia, które zostaną podłączone do uziemienia. Podłączenie do uziemienia wewnątrz urządzenia powinno być możliwie najkrótsze oraz prowadzone z daleka od elementów wrażliwych.
- Stosowanie napylanej warstwy grafitu - w niektórych przypadkach napylanie grafitu (np. z puszki w sprayu) może pomóc w poprawie działania urządzenia. Taką napyloną warstwę można następnie łączyć z uziemieniem.
- Umieszczenie płaszczyzny z masą z przelotkami pomiędzy warstwami - w przypadku płytek dwu warstwowych najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie dużych pól masowych, umieszczonych w miarę możliwości na obu stronach płytki. Dodatkowo masy należy łączyć ze sobą stosując dużą ilość przelotek.
- Stosowanie płytek wielowarstwowych - tutaj dzięki zastosowaniu osobnych warstw dla sygnałów, masy oraz zasilania czy stosowanie pól masowych oraz pól zasilania na wielu warstwach płytki może przynieść znaczące korzyści w ograniczeniu ESD jak i EMC.
W przypadku gdy nie jesteśmy w stanie zwiększyć odporności urządzenia na generowane zakłócenia, dobrym rozwiązaniem jest zapewnienie mu dobrych mechanizmów resetu. Pozwoli to na szybki powrót urządzenia do normalnej pracy.
