Una delle maggiori insidie per i componenti più sensibili presenti in un telefono mobile sono le scariche elettrostatiche o Esd (Electrostatic discharge). Si tratta di impulsi di tensione (spike) improvvisi provocati da oggetti carichi che si toccano o si trovano a una distanza ravvicinata gli uni dagli altri. Poiché i valori di questi impulsi di tensione sono dell'ordine delle migliaia di Volt, essi possono produrre danni a componenti sensibili come appunto i circuiti integrati presenti in un sistema. Una scarica elettrostatica può verificarsi quando un dispositivo elettronico di trova vicino al corpo umano o a un altro dispositivo (interfacciamento per contatto con una macchina). Un primo esempio è il collegamento di due dispositivi, come accade nel caso un telefono mobile che viene connesso a un laptop tramite una presa. I pin di connessione potrebbero essere toccati dalla mano dell'utilizzatore oppure, se il dispositivo è stato caricato, la scarica elettrostatica può verificarsi quando i connettori sono accoppiati. Gli odierni dispositivi elettronici sono sempre più predisposti alle scariche elettrostatiche. I circuiti integrati sono realizzati utilizzando geometrie di processo sempre più ridotte, quindi i transistor sono fisicamente più piccoli. Gli stati di silicio sono più predisposti alle rotture e le piste di metallo sono soggette con maggior facilità alla formazione di circuiti aperti o di ponti quando si utilizzano processi con geometrie sempre inferiori. Senza dimenticare che l'introduzione di standard di comunicazione a elevata velocità come ad esempio Usb 3.0 e Hdmi impone vincoli nettamente più severi in termini di integrità dei segnali.
La protezione di dispositivi elettronici sensibili contro danni permanenti richiede pertanto l'integrazione di dispositivi per la protezione Esd. Questi ultimi, disponibili in diverse tipologie, hanno il compito di deviare la carica lontano dalla parti più sensibili di un sistema come appunto i circuiti integrati. Dopo il verificarsi di una scarica elettrostatica, la tensione viene “agganciata” (clamped) a un determinato livello dal dispositivo Esd e la corrente provocata da questo fenomeno viene deviata verso massa.
Per decidere il dispositivo più idoneo da utilizzare in funzione dell'applicazione è necessario prendere in considerazione diversi fattori. Per esempio, nel caso di trasferimento dati a elevata velocità, si deve utilizzare un dispositivo di protezione Esd con capacità inferiore a 1 pF poiché dispositivi con valori di capacità maggiori potrebbero influenzare l'integrità del segnale. Nella Fig. 1 viene riportato il diagramma della tensione di soppressione Esd in funzione della capacità usato da Murata per aiutare i progettisti a scegliere il dispositivo più adatto per la loro applicazione.
Dispositivi Esd tradizionali
In sintesi i varistori sono resistori variabili di tipo non lineare e i soppressori sono varistori a bassa capacità. Anche se sono relativamente economici, questi dispositivi evidenziano un gran numero di svantaggi. In primo luogo le ridotte prestazioni: per un soppressore il valore tipico della tensione di aggancio potrebbe essere compresa tra 150 e 500 V, un intervallo molto superiori rispetto ai limiti previsti per un gran numero di circuiti integrati. Tali componenti, inoltre, hanno una vita utile finita, che si esaurisce dopo il verificarsi di un numero di scariche elettrostatiche compreso tra 15 e 20. I soppressori di tensioni transitorie, o diodi Zener, garantiscono una elevata velocità di risposta quando si verificano fenomeni Esd, ma la loro limitata capacità di corrente ne limita l'uso nei soli circuiti dove sono previsti impulsi di corrente di valore non molto elevato. Essi sono caratterizzati da una lunga vita operativa e il loro impiego tipico è la protezione di linee dati a elevata velocità grazie alla possibilità di ricorrere a una configurazione serie al fine di ridurre la capacità. Murata, dal canto suo, mette a disposizioni altri due tipi di dispositivi Esd realizzati in ceramica e in silicio.
Dispositivi Esd ceramici
I dispositivi di questo tipo sono caratterizzati da valori di capacità estremamente bassi (0.05 pF), che quindi ne consentono l'uso in linee dati a elevata velocità, oltre che da un'elevata affidabilità e da una lunga durata. Viene riportato un grafico tensione/tempo relativo a una scarica elettrostatica di 8kV come previsto dalle specifiche Iec61000-4-2 livello 4. La linea rossa è relativa alla risposta di un dispositivo ceramico prodotto da Murata di capacità pari a 0,05pF: come si può osservare la tensione di picco aumenta fino a 300V ma la tensione di aggancio è mantenuta a 40V. Si confronti questo risultato con quelli relativi a un varistore con capacità di 1pF (linea verde) e a un varistore con capacità di 3pF (linea blue) contraddistinti da tensioni di aggancio pari a 200 e 100 V rispettivamente. Le perdite di inserzione estremamente ridotte dei dispositivi ceramici (-0.004 dB a 2.4 GHz) rappresentano un altro vantaggio rispetto ai varistori. Le dimensioni di un dispositivo per la protezione contro fenomeni Esd di Murata sono pari tipicamente a 1 x 1,5 x 0,33 mm.
Dispositivi Esd in silicio
Anche questi dispositivi assicurano elevate prestazioni in termini di soppressione delle scariche elettrostatiche anche se la loro capacità non ha un valore così ridotto come quello dei dispositive ceramici: essa è infatti tipicamente dell'ordine di 0,25pF. Tra i vantaggi dei dispositivi di protezione Esd in silicio si possono annoverare un tempo di innesco estremamente rapido, grazie al quale è possibile minimizzare la tensione di picco, dove viene riportato un confronto tra un dispositivo Esd in silicio di Murata e un diodo Tvs in presenza di una scarica elettrostatica di 8 kV come previsto da Iec61000-4-2 livello 4. Ulteriori test hanno evidenziato che i dispositivi in silicio sono caratterizzati da valori di resistenza distribuita (on-resistance) molto bassa, pari a soli 0,3 Ohm rispetto a quelli di un diodo Tvs, che risulta uguale a 0,8 Ohm. Grazie ai più bassi valori di on-resistance è possibile ridurre il valore delle tensioni di aggancio: nell'esempio riportato la tensione di aggancio è di soli 8 V, notevolmente inferiore rispetto ai 35 V di un diodo Tvs. Uno dei principali vantaggi legati all'uso di dispositivi in silicio rispetto a quelli ceramici è la disponibilità di versioni a più canali che permettono di ridurre gli ingombri a bordo della scheda, fattore questo di primaria importanza per i moderni prodotti elettronici contraddistinti da dimensioni sempre più compatte. Un confronto dimensionale tra un'implementazione mediante componenti discreti e una che prevede il ricorso a dispositivi Esd in silicio a 10 canali di Murata: questi ultimi integrano anche filtri LC che assicurano la protezione contro le interferenze Emi. Mentre il dispositivo multicanale di Murata misura solamente 2 x 2mm, la soluzione discreta, che prevede anche varistori e filtri LC, occupa uno spazio sulla scheda superiore di un fattore pari ad almeno 10. Murata rende disponibile una vasta gamma di dispositive Esd in silicio che differiscono in termini di capacità, dimensioni del package e numero di canali per garantire la massima versatilità applicativa.
Un esempio pratico
Per esemplificare l'uso dei dispositive Esd, si prenda in considerazione un telefono mobile. Le sezioni in cui è richiesta la protezione Esd sono le porte delle antenne, le linee dati, l'amplificatore di potenza, l'interfaccia Usb, la tastiera, lo slot della Sim e l'altoparlante/microfono. L'antenna del telefono mobile è l'interfaccia principale tra il sistema e il mondo esterno e, naturalmente, è sensibile alle scariche elettrostatiche. Per la protezione contro questo fenomeno, i progettisti possono optare tra un dispositivo Esd ceramico a basso costo con valore di capacità estremamente ridotto come il dispositivo. LXES15AAA1-100 o un dispositivo in silicio a canale singolo che garantisce elevate prestazioni e bassa capacità come LXES1UBBB1-008. Una soluzione alternativa è rappresentata da un dispositivo Esd in silicio a due canali come LXES1TBAA2-013 che prevede appunto due canali collegati ai capi di un induttore in modo da formare un filtro Emi aggiuntivo.
I dispositivi Esd a più canali risultano particolarmente efficaci per la protezione di linee dati. Si consideri un'interfaccia Usb 2.0. Sebbene si potrebbero usare dispositivi a canale singolo, una soluzione di tipo a matrice (array) risulta senza dubbio più efficiente. Un dispositivo a quattro canali come LXES2TBCC4-028, ad esempio, ha dimensioni pari a soli 2,5 x 1,0 x 0, 6 mm e capacità di 0,5pF. Soluzioni di tipo ad array risultano ancora più efficaci quando sono previste porte Usb 3.0, in quanto vi sono più linee dati che devono essere protette. Soluzioni a più canali si propongono come la soluzione ottimale anche per porte Hdmi, Firewire e DVI, tutte contraddistinte dalla presenza di un gran numero di linee dati. Anche per la tastiera di un telefono mobile le soluzioni ad array a più canali, in special modo quelle con filtri EMI integrati, rappresentano la soluzione più adatta. Quando l'utilizzatore tocca la tastiera, si generano disturbi prodotti da radiazioni e scariche elettrostatiche. Le soluzioni tipiche sono rappresentate da due dispositivi a quattro canali come LXES1WCAA4-038, con filtri Emi integrati o dal dispositivo a otto canali LXES3YCAA8-039. Per la protezione Esd di altoparlante e microfono sono sufficienti una coppia di dispositivi a canale singolo. L'utilizzo di dispostivi ceramici come LXES15AAA1-100, di dimensioni pari a 1,0 x 0,5 x 0,33 mm, o di silicio come LXES1UBAA1-096, che misura 1,0 x 0,6 x 0,6 mm, contribuisce a ridurre sia costi sia ingombri sulla scheda. In definitiva, l'offerta di dispositivi Esd è varia e articolata e spazia dai Tvs/diodi Zener ai varistori fino ai compatti dispositivi ceramici e in silicio proposti da Murata. La scelta del componente più idoneo per una data applicazione richiede l'analisi del livello di prestazioni, dell'occupazione di spazio sulla scheda e dei costi. I dispositivi ceramici sono caratterizzati da valori di capacità molto bassi, lunga durata e costo contenuto. I dispositivi in silicio, dal canto loro, oltre a valori ridotti di capacità, si distinguono per la velocità della risposta e la disponibilità di soluzione di tipo a matrice ospitata in un singolo package che prevede anche la protezione contro le interferenze Emi, a tutto vantaggio degli ingombri. Tutti questi dispositivi, infine, sono disponibili in package sottili e compatti, caratteristica questa che contraddistingue tutta la produzione Murata.
