Guía para principiantes sobre el diseño de circuitos de protección contra ESD para PCB

Te guste o no, es posible que tu PCB sufra eventos de descarga electrostática (ESD) durante su vida útil. La protección contra ESD es más importante para los circuitos destinados a interactuar con el entorno físico. Esos circuitos pueden tener un conector para la comunicación externa que no esté protegido contra la electricidad estática, o que no tenga blindaje electrostático, lo que podría producir fallos en los componentes de tu PCB durante un evento de ESD.

Normalmente, la carga eléctrica estática se acumula durante el funcionamiento de un dispositivo, y esto acaba provocando un gran evento de ESD. Colocando estratégicamente un circuito de protección contra ESD en tu diseño de PCB, podrías evitar el fallo de un circuito sensible. El diseño de los circuitos de protección contra ESD se realiza en el esquema mientras se crean los circuitos, y posteriormente se transfiere al diseño de la PCB.

En este artículo, veremos algunos de los principales circuitos de protección contra ESD y cómo puedes incluirlos en tu próximo diseño de PCB.

Diseño de circuitos de protección contra ESD en tus diagramas esquemáticos

El objetivo que se persigue en el diseño de circuitos de protección contra ESD es determinar dónde afectará la ESD a los componentes importantes de tu PCB. Y, luego, añadir algunas medidas de supresión o circuitos de derivación para garantizar que la tensión de ESD nunca supere determinado límite. El método más simple y ampliamente utilizado para este propósito es el uso de diodos reversamente polarizados como elementos de derivación que apuntan hacia la red de tierra. Esto puede ser un plano de tierra en la PCB, aunque también podría ser la carcasa en un sistema con conexión a tierra.

Los cuatro métodos más comunes para suprimir o soportar eventos de ESD son:

1. Diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS)
2. Supresores de ESD
3. Diodos inversamente polarizados para la limitación de tensión
4. Fusibles o relés de PCB

No vamos a hablar de fusibles ni relés, ya que estos elementos a veces se encuentran fuera de la PCB, y generalmente se utilizan en los sistemas de alimentación eléctrica. En su lugar, vamos a hablar de las tres primeras opciones, ya que son las más comunes y sencillas de implementar en la PCB.

Diodos TVS y circuitos de diodos

Los circuitos de protección de diodos TVS son algunos de los más comunes en entornos no industriales y de baja tensión. En comparación con otros componentes de protección ESD que están integrados en los CI de gestión de alimentación o en los microcontroladores, los protectores de diodos de sobretensión TVS pueden proporcionar una mayor limitación de la tensión y pueden colocarse cerca de las E/S o de cualquier fuente de ESD, como se muestra en el ejemplo siguiente.

A continuación, se muestra un circuito típico de diodos de limitación de tensión. La principal responsabilidad de este circuito de limitación de tensión es limitar la acumulación de tensión en el terminal de entrada del búfer. Ten en cuenta que esto también podría aplicarse a la entrada diferencial de un amplificador operacional. El funcionamiento de este circuito es muy simple y, en condiciones normales, los diodos D1 y D2 están inversamente polarizados. Cada vez que la tensión de entrada es mayor que la tensión de la barra colectora, el diodo D1 está directamente polarizado y conduce electricidad. Del mismo modo, cuando la tensión de entrada cae por debajo de la de tierra, entonces el diodo D2 está directamente polarizado y conduce electricidad desde tierra hacia la entrada.

El circuito anterior podría utilizar algunos diodos simples con una alta tensión de ruptura de polarización inversa (p. ej., diodo Zener) o diodos TVS que se combinan en configuración paralela o "back to back". Los principales factores utilizados para determinar qué tipo de diodos se utilizan son la tensión de ruptura y la corriente directa.

Los diodos TVS se clasifican en dos tipos; ambos tipos de diodos TVS actúan como aperturas en condiciones normales de funcionamiento y como cortocircuitos a tierra cuando se produce una sobretensión de ESD. 

Diodos TVS unidireccionales

A continuación, se muestra un diodo de sobrecarga unidireccional de TVS para la protección contra ESD de la PCB. Ten en cuenta que un diodo TVS no tiene que ser nada más que un diodo Zener simple, o podría ser un componente comercializado específicamente como un diodo TVS (por ejemplo, la serie Transzorb de Vishay, que se muestra a continuación), como se muestra en el siguiente diagrama esquema.

Durante el ciclo positivo de un evento ESD, este diodo adquiere polarización inversa y opera en el modo avalancha, lo que resulta en una corriente ESD que fluye desde la entrada a tierra. Durante un ciclo negativo, este diodo de TVS adquiere polarización directa y conduce una corriente de ESD. Así es como un diodo TVS unidireccional protege el circuito de la ESD: impidiendo o permitiendo el flujo de una corriente ESD, dependiendo de su polaridad.

Diodos TVS bidireccionales

El siguiente esquema muestra el uso típico de los diodos de sobretensión TVS bidireccionales para proteger los componentes sensibles a la ESD. Ten en cuenta que se trata de una simple disposición consecutiva ("back to back") de diodos Zener. Se puede añadir una resistencia adicional si se necesita una limitación de corriente adicional.

Durante el ciclo positivo de un evento transitorio de ESD, uno de los dos diodos tiene polarización directa y el otro inversa, lo que significa que un diodo conduce electricidad debido a su polarización directa mientras que el otro actúa en el modo avalancha. De esta manera, ambos diodos abren una ruta a tierra desde una fuente de ESD. Durante un ciclo de ESD negativo, los diodos intercambian sus modos, creando de nuevo una ruta mientras que el circuito permanece protegido. Este circuito es preferible en el caso de que no se sepa necesariamente cuál será la posible polaridad de un evento ESD visto desde la E/S del sistema.

Otros componentes del supresor de ESD

Hay diversos componentes más de supresores de ESD disponibles, como varistores multicapa, tubos de descarga de gas y supresores a base de polímero. Los componentes de supresión de ESD se utilizan para reducir las tensiones de ESD por debajo de un determinado límite, de forma que un circuito o grupo de componentes esté protegido. Un componente o circuito supresor se conecta en paralelo a una línea vulnerable, que mantiene una tensión baja de ESD hasta un cierto límite y desvía la corriente principal de la ESD a tierra. Estos componentes suelen tener un circuito de aplicación asociado que encontrarás en una hoja de datos, y estos circuitos de ejemplo pueden incluir un diodo TVS para proporcionar una supresión adicional de ESD de bajo voltaje.

Ejemplo: Tubo de descarga de gas + diodo TVS

Una estrategia para lidiar con voltajes altos es utilizar un tubo de descarga de gas en paralelo con un diodo TVS y un inductor. El inductor y el diodo TVS actúan como un circuito RL de paso bajo que proporciona un filtrado adicional y ralentiza el tiempo de subida del impulso ESD. Dado que se trata básicamente de un filtro de paso bajo con una constante de tiempo grande, este circuito permite el paso de la tensión continua nominal a la vez que proporciona una alta impedancia para cualquier corriente ESD que pase por el tubo de descarga. El fusible en la entrada proporciona una protección adicional contra grandes tensiones ESD.

Protección contra ESD en el diseño de PCB

Aunque añadas circuitos de protección ESD a tu diseño de PCB durante la captura del esquema, sigue siendo importante utilizar algunas opciones de diseño inteligentes para garantizar la protección ESD de los circuitos sensibles en el diseño de la PCB. El propósito de la supresión de ESD es hacer que el circuito sea más fiable y, al mismo tiempo, reducir el coste de depuración y resolución de problemas a posteriori.

• Utiliza un plano de tierra en el stackup de la PCB: El uso de un plano de tierra dentro de la PCB proporciona un gran conductor con conexión a tierra que puede aceptar cualquier corriente inducida de un evento ESD. También ofrece muchas otras ventajas, como la eliminación de los bucles de tierra, la definición de una impedancia clara y el blindaje contra la EMI.
• Reduce la longitud de las rutas largas: Si las rutas están separadas de la conexión a tierra y son demasiado largas, pueden tener una alta inductancia. No sólo pueden recibir fácilmente EMI, sino que pueden experimentar una oscilación transitoria cuando un pico de alta tensión se propaga a través de la pista. Esta oscilación puede provocar que un diodo TVS u otro supresor no funcionen.
• No enrutes pistas o componentes sensibles cerca de redes de alta tensión: Es un concepto bastante simple que la probabilidad de un evento ESD es mayor cuando un componente se coloca más cerca de una red o componente de alta tensión. Si tienes componentes que no pueden sobrevivir a un evento ESD grande o a una sobrecarga de potencia, el componente debe mantenerse alejado de dichas fuentes de tensión. Algunos blindajes con conexión a tierra alrededor de componentes sensibles a ESD proporcionan protección adicional.
• Aprovecha la carcasa: Si estás utilizando una carcasa metálica con conexión a tierra, puedes aprovechar el hecho de que actúa como una conexión de seguridad a tierra. Proporcionar una conexión de baja impedancia desde un área del diseño sensible a la ESD (como un conector) de vuelta a la carcasa es una forma de brindar protección adicional contra la ESD.

En cuanto al último punto anterior, es difícil equilibrar la necesidad de evitar el ruido en modo común con la necesidad de proporcionar blindaje contra las ESD. No todos los diseños necesitan de protección contra ESD en forma de conexión a la carcasa; hay que tener en cuenta el entorno en el que se implementará el diseño y la magnitud de la ESD que podría inducirse en el componente.

Garantizar que un conjunto electrónico esté protegido contra las ESD es muy importante para los conjuntos que tienen interfaces externas para comunicarse con el mundo exterior. Aunque algunos circuitos integrados incluyen protección ESD en el chip, se recomienda colocar estratégicamente circuitos de protección contra ESD si el entorno de funcionamiento del dispositivo crea un peligro de ESD fuertes. Esto podría ser necesario para que tu dispositivo reciba certificaciones FCC o CE para que puedas vender tu producto libremente en el mercado.

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