Guía para principiantes sobre el diseño de circuitos de protección 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 ESD en tus diagramas esquemáticos

El objetivo que se persigue en el diseño de circuitos de protección 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 sencillo 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.

Cuatro métodos habituales para suprimir o resistir eventos ESD rápidos, sobretensiones lentas de alimentación y transitorios procedentes de eventos de conmutación incluyen:

1. Diodos supresores de tensión transitoria, o TVS
2. Diodos Zener polarizados en inversa para limitar transitorios
3. Varistores
4. Fusibles, o fusibles rearmables
5. Relés de PCB sensibles a la tensión
6. Tubos de descarga de gas
7. Circuitos crowbar
8. Circuitos basados en MOSFET
9. Supresores de ESD

En esta tabla vemos que los pulsos ESD son muy rápidos, por lo que los componentes de protección ESD también requieren un componente capaz de responder muy rápidamente a los eventos transitorios. Solo los varistores y los diodos TVS pueden proporcionar un tiempo de respuesta lo suficientemente rápido para abordar eventos ESD, por lo que son los más utilizados cuando la ESD es un aspecto importante. Entre estos dos, los diodos TVS son los más rápidos y se consideran componentes de protección ESD de uso general. Como son tan rápidos, también son adecuados para gestionar eventos más lentos como sobretensiones, conmutación y rayos, como se indica anteriormente.

Diodos TVS y circuitos con diodos

Los circuitos de protección con 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 diodos simples con una alta tensión de ruptura de polarización inversa elevada, por ejemplo, un diodo Zener, o diodos TVS combinados en paralelo o en configuración antiparalela. 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, tal como aparece en el siguiente 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 esquema siguiente 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 antiparalela ("back to back") de diodos Zener. Se podría 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 este modo, 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

Existen otros componentes supresores de ESD y de tensión transitoria disponibles, como varistores multicapa, tubos de descarga de gas y supresores basados en polímeros. Los componentes de supresión de ESD se utilizan para reducir las tensiones de ESD por debajo de un límite determinado, de modo que un circuito o grupo de componentes quede 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 ESD adicional de baja tensión.

Ejemplo: Tubo de descarga de gas + diodo TVS

Una estrategia para afrontar eventos transitorios de alta tensión consiste en utilizar un tubo de descarga de gas en paralelo con un diodo TVS, un inductor en serie y un fusible. Esta estrategia permite abordar eventos ESD rápidos, sobretensiones lentas, conmutación e incluso rayos. También se incluye un fusible adicional para la protección contra sobrecorriente. Los tubos de descarga de gas están pensados para gestionar grandes tensiones transitorias que pueden no proceder de eventos ESD, sino de fuentes más lentas como sobretensiones de alimentación, rayos y conmutación. A continuación, se muestra una imagen de un tubo de descarga de gas.

El inductor y el diodo TVS actúan como un circuito RL de paso bajo que proporciona filtrado adicional y ralentiza el tiempo de subida del pulso ESD antes de que alcance el circuito protegido. Una vez que el diodo TVS pasa a ser conductor, el circuito desvía la corriente suministrada por el pulso ESD para que no afecte al circuito protegido. El GDT ofrece protección adicional si también existe riesgo de sobretensiones de alimentación, por ejemplo, procedentes de una fuente no regulada o de la red de CA.

Protección contra ESD en el diseño de PCB

Aunque añadas circuitos de protección ESD a tu diseño de PCB durante la captura esquemática, sigue siendo importante aplicar buenas decisiones de diseño para garantizar la protección ESD de los circuitos sensibles en el diseño de la PCB. El objetivo 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 más adelante.

• 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 conectado 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 apantallamiento frente a EMI.
• Reduce la longitud de las pistas largas: Si las pistas 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 sencillo 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 utilizas una carcasa metálica conectada 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.

Respecto 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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