Sollte ein Kondensator für den ESD-Schutz verwendet werden?

Ich habe kürzlich einen LinkedIn-Beitrag darüber gesehen, wie Kondensatoren für den ESD-Schutz von Leitungen, die von einem Stecker auf eine Leiterplatte führen, verwendet werden können. Mir war das nicht bewusst, aber anscheinend gibt es eine ziemlich verbreitete Ansicht, dass Kondensatoren sowohl auf Stromleitungen als auch auf Signalleitungen als eine Form des ESD-Schutzes platziert werden können. Ist dies eine angemessene Richtlinie?

Meiner Meinung nach, und der Meinung anderer sehr erfahrener Designer, sind Kondensatoren nicht universell geeignet als die einzige Form des ESD-Schutzes für jeden Schaltkreis, der von einem Stecker kommt. Dies gilt insbesondere für Hochgeschwindigkeitssignale. Ein einfacher Blick auf die Lade-/Entladefähigkeiten von Kondensatoren, ihre Filterfähigkeiten und die typischen Spannungsbewertungen von Kondensatoren zeigt, warum diese Richtlinie nicht blind befolgt werden sollte.

Kondensatoren für ESD-Schutz?

Die Richtlinie, auf die ich mich hier beziehe, empfiehlt die Verwendung eines 1 pF bis 1 nF Kondensators für den ESD-Schutz bei Folgendem:

• Alle Signalleitungen, die von einem Stecker kommen
• Alle Stromleitungen, die von einem Stecker kommen

Wenn man einfach aus der Idee heraus denkt, schnelle Spannungen zur Erde abzuleiten, dann macht die Idee, einen sehr kleinen Kondensator zur Bereitstellung von ESD-Schutz zu verwenden, Sinn; der Kondensator wirkt im Grunde wie ein Filter.

Allerdings werden Sie, sobald Sie sich die Spezifikationen für reale Kondensatoren ansehen, feststellen, dass es einige gute Gründe gibt, Kondensatoren nicht als einzige Form des ESD-Schutzes in Ihrem System zu verwenden.

Schnelle Transienten und hohe Spannungen

Spannungsbewertungen und Gehäusegröße

Der erste Schritt, wenn man eine Komponente als potenzielle Lösung für ESD betrachtet, ist die Spannungsbewertung.

Stromnetze: In diesem Fall könnten wir versuchen, Hochspannungskondensatoren zum Schutz zu verwenden. Wie aus den Daten hervorgeht, sind die Spannungsbewertung und die Kapazität durch die Gehäusegröße miteinander verbunden.

Wenn Sie in einem Hochspannungssystem arbeiten, in dem Sie mit ESD rechnen müssen, gibt es Hochspannungskondensatoren, die verwendet werden können. Im typischen ESD-Fall könnten Sie genügend Ladung über den Schutzkondensator ablassen, aber es könnte eine große SMD-Gehäusegröße erfordern, abhängig von Ihrer Ziel-Spannungsbewertung.

Das Bild unten zeigt Daten von AVX Hochspannungskeramikkondensatoren; diese Kondensatoren sind der Typ, den Sie typischerweise verwenden würden, wenn Sie geringe Kapazität und hohe Spannung in einer Gehäusegröße benötigen, die klein genug ist, um sie mit Leiterbahnen von einem Stecker zu verbinden.

Die Werte in dieser Tabelle sind typisch für Komponenten anderer Hersteller und sie sollten deutlich machen, dass es schwierig sein könnte, einen geeigneten Kondensator für ESD-Schutz zu finden. Für dieses Teil erfordert der Schutz bis zu sehr hohen Spannungen eine große Gehäusegröße von 3640, was viel Platz beansprucht. Wenn wir beispielsweise einen 40-poligen I/O-Stecker haben und auf jeder Signalleitung einen Kondensator haben möchten, würden wir eine Größe wie 0402 bevorzugen, nicht eine große 3640 Gehäusegröße. Man könnte 3640 Gehäusegrößen an Leitungen, die von einem Stromstecker bei höheren Spannungen kommen, anbringen, aber man würde niemals eine große Anzahl von 3640 Kondensatoren an Signalleitungen, die von einem Stecker kommen, unterbringen können.

Signalnetze: Für Signalnetze sollte die Spannungsbewertung Ihres Kondensators näher am Logikpegel liegen, mit einer angewandten Derating. Mit anderen Worten, die Spannungsbewertung muss die höchste erwartete Gleichspannung auf der Leitung überschreiten, während die Größe des Kondensators ziemlich groß sein muss. In diesen Fällen können Sie Kondensatoren mit ~100 nF in 0402-Gehäusegrößen finden, die Logikpegel-Spannungsbewertungen haben. Allerdings sind solch große Kondensatoren nicht wünschenswert, da sie die Fähigkeit haben, schnelle Signale zu filtern (siehe unten). Wiederum könnte es am besten sein, Kondensatoren als einzige Form des ESD-Schutzes auf Signalleitungen zu vermeiden und stattdessen auf eine andere Methode zu setzen.

Reaktionszeit und Serieninduktivität (ESL)

Der nächste Grund, warum wir TVS-Dioden gegenüber Kondensatoren bevorzugen würden, ist die Reaktionszeit und Bidirektionalität von TVS-Dioden. Die Reaktionszeit eines Kondensators wäre bei einem ESD-Ereignis wichtig, denn wenn Sie diese Leistung auf den Boden ableiten möchten, muss der Kondensator schneller laden/entladen können als das ESD-Ereignis, um eine Filterwirkung zu bieten.

Einige bidirektionale TVS-Dioden können innerhalb von Pikosekunden auf schnelle transiente Spannungen reagieren. Um dasselbe Niveau mit den auf dem Markt verfügbaren Kondensatoren zu erreichen, wären pF-Niveaus der Kapazität und sehr niedrige ESL erforderlich. Diese Kondensatoren existieren, aber ihre Spannungsbewertungen tendieren dazu, auf Logikniveaus und nicht auf kV-Niveaus zu sein, was auf ihre kleine Gehäusegröße (0402 oder 0201) zurückzuführen ist. Die typischen Gehäusegrößen haben höhere ESL, daher sind sie nicht wünschenswert.

Die hier gezeigte äquivalente Kondensatorschaltung berücksichtigt die Anregung von Resonanzen durch ein schnelles Transient, einschließlich eines ESD-Ereignisses.

Aufgrund des Spannungsbewertungsproblems und der Induktivität typischer Hochspannungskondensatoren, die große Gehäusegrößen erfordern, ist es am besten, Kondensatoren als Form des ESD-Schutzes zu vermeiden, insbesondere bei Signalleitungen. Noch einmal, TVS-Dioden sind eine bessere Option, da sie ausreichend schnelle Reaktionszeiten bieten können, um mit Hochspannungs-ESD-Ereignissen umzugehen, und es gibt TVS-Dioden, die für spezifische Signaltypen entwickelt wurden.

Ihre Signale werden auch gefiltert

Wäre es nicht großartig, wenn solche Kondensatoren auf Signalleitungen nur ESD filtern und nicht Ihre Signale? Die ideale ESD-Schutzkomponente, die das tatsächlich tun kann, ist eine TVS-Diode.

Die Platzierung eines Kondensators als Shunt-Element zur Erde auf digitalen Signalleitungen filtert im Wesentlichen Ihr Signal und begrenzt die verfügbare Kanalbandbreite. Das ist alles schlecht für Hochgeschwindigkeitsdesigns, bei denen wir idealerweise keine Bandbreitenbegrenzung haben möchten. Ironischerweise wird die Signalfilterung schwerwiegender sein als die ESD-Filterung, da typische ESD-Impulse nicht so schnell sind wie die meisten Hochgeschwindigkeitssignale. Das ist ein weiterer Grund, keine Kondensatoren zu verwenden und sich einfach an TVS-Dioden zu halten, wenn in Ihrem System eine ESD-Beständigkeitsanforderung besteht.

Langsame Transienten und Stromleitungen

Ein "langsamer" Transient bezieht sich hier auf jeden Transienten mit einer Übergangszeit, die viel kleiner ist als die Ansprechzeit des Kondensators. In diesem Fall werden Sie typischerweise Mikrofarad-Kondensatoren sehen. Basierend auf der Annahme, dass ein Transient langsam ist und auf der Ladungserhaltung, kann man ein Argument darlegen, das illustriert, wie Kondensatoren ESD-Schutz bieten:

1. Angenommen, wir haben einen ESD-Impuls V, der einen bestimmten Gesamtstrom I
2. liefert. Aus I und der gesamten Impulszeit können wir die gesamte während des ESD-Impulses gelieferte Ladung Q
3. berechnen. Q und V definieren eine äquivalente Kapazität C, die den ESD-Impuls liefert
4. Wenn C als parallel zu unserem ESD-Kondensator C* modelliert wird, dann verteilt sich Q über C und C* zusammen
5. Dies verringert die gesamte Spannung, die an den Eingängen der geschützten Schaltung gesehen wird

Das in dieser Argumentation verwendete äquivalente Schaltungsmodell wird unten gezeigt.

Wenn wir einfach die neue Spannung berechnen, die beobachtet würde, nachdem die vorhandene Ladung über den Schutzkondensator (C*) und die ESD-Quelle (C) verteilt ist, würden wir folgende Spannung erwarten:

Daher ist die erforderliche Kapazität:

In diesem Modell der Ladungsumverteilung erfordert das Absenken einer 5 kV ESD-Spannung auf 3,3 V zum Schutz einer Logikleitung eine Kapazität von C* = 500 nF, unter der Annahme, dass die ESD-Quelle eine äquivalente Kapazität von C = 330 pF hat. Wenn wir eine 50%ige Derating anwenden, benötigen wir in diesem Fall einen 1 uF Kondensator. Beachten Sie, dass in realen Situationen die ESD-Quelle eher dem Human Body Model ähneln kann, das einen größeren Serienwiderstand an der Quelle und eine kleinere Quellenkapazität umfasst.

Ist das gut oder schlecht? Für Stromleitungen kann man die Begründung akzeptieren, dass dies angemessen ist, aber es schützt nicht in allen Situationen bis zu hohen Durchschlagsspannungen. Ihre Standard-Bulk-Kondensatoren werden den Schaltkreis im Vergleich zu kleinen SMDs besser schützen. In den meisten Fällen werden sowieso zusätzliche Schutzmechanismen für den Schaltkreis benötigt.

Wenn Sie dies bei Signalleitungen versuchen, stellen Sie möglicherweise fest, dass die erforderliche Gehäusegröße sehr groß ist. Diese Kondensatoren werden auch Signale stark filtern und eine übermäßige Bandbreitenbegrenzung verursachen. Wenn jedoch der I/O-Pin der empfangenden Komponente Mikrosekunden-Übergangszeiten auf einer Konfigurationsleitung tolerieren kann (wie ein ENABLE-Pin auf einem ASIC oder möglicherweise I2C), dann könnte diese Verwendung eines Kondensators gerechtfertigt sein, bietet jedoch keinen umfassenden Schutz einer Signalleitung. Verwenden Sie in diesem Fall erneut TVS-Dioden, wenn eine Widerstandsfähigkeitsanforderung besteht.

Wo Kondensatoren helfen könnten: Kleine Stromspitzen und Schaltvorgänge

Nur weil Kondensatoren nicht die beste Option für ESD-Ereignisse sind, bedeutet das nicht, dass sie für bestimmte Formen des Schaltungsschutzes nicht nützlich sind. Kleine Stromspitzen und das Filtern von transienten Spannungen aus Schaltvorgängen sind zwei Fälle, in denen ein Kondensator wertvoll sein kann, da sie immer noch schneller reagieren können als typische niedrige Spannungsspitzen und transiente Spannungen.

Stromspitzen können von kleinen Werten bis zu Tausenden von Volt reichen. Für Leitungen, die mit dem Stromnetz oder einer ungeregelten Versorgung verbunden sind, ist es typisch, einen dreistufigen Ansatz zu sehen, um sicherzustellen, dass die gleichgerichtete Leistung stabil ist und Spannungsspitzen unterdrückt werden, bevor diese Leistung an nachgeschaltete Geräte verteilt wird: Dies würde die folgenden Komponenten umfassen:

• Gasentladungsröhre - Langsame Reaktion für Hochspannungsschutz
• TVS-Diode - Sehr schnelle Reaktion auf Hochspannungs-/Niedrigstromimpulse
• Varistor - Dieses Bauteil ändert seinen Widerstand in Reaktion auf eine angelegte Spannung

Es könnte sein, dass Sie auch ein Spannungsrelais und Sicherungen in diesen Systemen sehen. Beide können mit anderen Schaltungselementen verwendet werden, um Überspannungsschutz und Überstromschutz zu bieten, indem sie einen geschützten Stromkreis öffnen und später zurücksetzen

Sie werden diese Komponenten in Überspannungsschutzgeräten in Ihrem Zuhause sehen; dieselbe Strategie kann in einer PCB verwendet werden, die Netzstrom oder ungeregelten Strom empfangen muss. Es wird auch einen Rücksetzschalter geben, der den Stromkreis nach einem Überspannungsereignis schließt, wie im untenstehenden Beispiel gezeigt.

Die Ausgangskondensatoren auf diesen Leitungen (verbunden mit einem Brückengleichrichter) erfüllen eine doppelte Funktion: Sie stabilisieren die gleichgerichtete Spannung und reduzieren die Größe langsamer Überspannungen. Diese sind tendenziell größere Kondensatoren, daher können sie große Gehäuse und hohe Spannungsfestigkeitswerte aufweisen, allerdings auf Kosten einer langsameren Reaktionszeit aufgrund ihrer ESL. Somit leiten sie etwas Leistung von langsameren Überspannungen ab, bevor Ihre Gasentladungsröhre entlädt oder Ihre TVS-Diode zu leiten beginnt. Im Gegensatz dazu wird der größte Teil des Schutzes, der in Situationen mit hoher Spannungsfestigkeit und schnelleren Transienten erforderlich ist, nicht durch diese Kondensatoren bereitgestellt, sondern durch die oben aufgeführte Liste von Komponenten.

Um mehr über ESD-Schutz zu erfahren, lesen Sie diese Ressourcen:

• Was ist ESD und wie beeinflusst es mein PCB-Design?
• Anfängerleitfaden zum ESD-Schutzschaltungsdesign für PCBs
• Verwendung von ESD-Erdungstechniken zum Schutz Ihrer PCB vor elektrischen Schäden

Zusammenfassend sind Kondensatoren in begrenzten Situationen hilfreich, in denen Transienten langsamer sind und keine übermäßig hohen Spannungen/Stromstärken erzeugen. Solche Fälle treten bei Überschwingen oder Spitzen während Schaltvorgängen auf, die im Grunde kleine Leistungsspitzen in Stromsystemen sind. Größere Transienten erfordern größere Kondensatoren, was bedeutet, dass dies eine bessere Strategie für Leistung, aber nicht so sehr für Signale wäre. Für andere Formen von ESD leisten andere Komponenten eine viel bessere Arbeit beim umfassenden Schutz gegen ESD.

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