¿Se debe usar un condensador para la protección contra ESD?

Recientemente vi una publicación en LinkedIn sobre el uso de capacitores para la protección contra descargas electrostáticas (ESD) en líneas que vienen de un conector hacia una PCB. No estaba al tanto de ello, pero aparentemente hay una visión algo popular de que los capacitores pueden colocarse en líneas de alimentación y líneas de señal como una forma de protección contra ESD. ¿Es esta una guía apropiada?

En mi opinión, y la de otros diseñadores muy experimentados, es que los capacitores no son universalmente apropiados como la única forma de protección contra ESD en cada circuito que sale de un conector. Esto es especialmente cierto en lo que respecta a señales de alta velocidad. Una simple mirada a las capacidades de carga/descarga de los capacitores, sus capacidades de filtrado y las típicas calificaciones de voltaje de los capacitores, revela por qué esta guía no debe seguirse ciegamente.

¿Capacitores para Protección ESD?

La guía a la que me refiero aquí recomienda usar un capacitor de 1 pF a 1 nF para protección contra ESD en lo siguiente:

• Todas las líneas de señal que salen de un conector
• Todas las líneas de alimentación que salen de un conector

Si solo lo piensas desde la idea de desviar rápidamente los voltajes a tierra, entonces la idea de usar un capacitor muy pequeño para proporcionar protección ESD tiene sentido; el capacitor básicamente actúa como un filtro.

Sin embargo, una vez que mires las especificaciones de los capacitores reales, verás que hay algunas buenas razones para no usar capacitores como la única forma de protección contra ESD en tu sistema.

Transitorios Rápidos y Altos Voltajes

Calificaciones de Voltaje y Tamaño de Caja

El primer lugar para comenzar cuando se mira un componente como una solución potencial para ESD es la calificación de voltaje.

Redes de energía: En este caso, podríamos intentar usar capacitores de alto voltaje para protección. Como se puede ver en los datos, la calificación de voltaje y la capacitancia están relacionadas a través del tamaño de la caja.

Si estás trabajando en un sistema de alto voltaje donde podrías esperar que ocurra ESD, hay capacitores de alto voltaje disponibles que se pueden usar. En el caso típico de ESD, podrías descargar suficiente carga a través del capacitor de protección, pero podría requerir un tamaño de caja SMD grande, dependiendo de tu calificación de voltaje objetivo.

La imagen a continuación muestra datos de AVX capacitores cerámicos de alto voltaje; estos capacitores son el tipo que típicamente usarías si necesitaras baja capacitancia y alto voltaje en un tamaño de caja lo suficientemente pequeño como para conectar a trazas de un conector.

Los valores en esta tabla son típicos de componentes de otros proveedores y deberían dejar claro que puede ser difícil encontrar un capacitor adecuado para la protección contra ESD. Para esta parte, la protección hasta voltajes muy altos requiere un tamaño de carcasa grande de 3640, lo que ocupa mucho espacio. Si, por ejemplo, tenemos un conector de E/S de 40 pines y quisiéramos tener un capacitor en cada línea de señal, preferiríamos algo como un tamaño de carcasa 0402, no un tamaño de carcasa grande de 3640. Podrías colocar tamaños de carcasa de 3640 en los cables que vienen de un conector de alimentación a voltajes más altos, pero nunca podrías colocar un gran número de capacitores de 3640 en líneas de señal que vienen de un conector.

Redes de señales: Para las redes de señales, la clasificación de voltaje de tu capacitor deberá estar más cerca del nivel lógico con cierta desclasificación aplicada. En otras palabras, la clasificación de voltaje necesita superar el voltaje DC más alto esperado en la línea, mientras que el tamaño del capacitor necesita ser bastante grande. En estos casos, puedes encontrar capacitores de ~100 nF en tamaños de carcasa 0402 con clasificaciones de voltaje a nivel lógico. Sin embargo, tales capacitores grandes no son deseables debido a su capacidad para filtrar señales rápidas (ver más abajo). De nuevo, podría ser más aconsejable evitar los capacitores como tu única forma de protección ESD en líneas de señal y en su lugar depender de otro método.

Tiempo de Respuesta e Inductancia en Serie (ESL)

La siguiente razón por la que preferiríamos diodos TVS sobre capacitores es el tiempo de respuesta y la bidireccionalidad de los diodos TVS. El tiempo de respuesta de un capacitor importaría en un evento ESD porque, si quisieras desviar esa energía a tierra, el capacitor necesita cargar/descargar más rápido que ese evento ESD para proporcionar acción de filtrado.

Algunos diodos TVS bidireccionales pueden responder en el orden de picosegundos cuando se les aplica un voltaje transitorio rápido. Alcanzar el mismo nivel con los capacitores disponibles en el mercado requeriría niveles de capacitancia en pF y ESL muy bajo. Estos capacitores existen, pero sus calificaciones de voltaje tienden a estar en niveles lógicos, no en niveles de kV, lo cual se debe a su pequeño tamaño de carcasa (0402 o 0201). Los tamaños de carcasa típicos tienen ESL más alto, por lo que no son deseables.

El circuito equivalente de capacitor mostrado aquí tiene en cuenta la excitación de resonancias por un transitorio rápido, incluyendo un evento de ESD.

Debido al problema de la calificación de voltaje, y debido a la inductancia de los capacitores de alto voltaje típicos que requieren tamaños de carcasa grandes, es mejor evitar los capacitores como forma de protección contra ESD, especialmente en líneas de señal. Una vez más, los diodos TVS son una mejor opción ya que pueden proporcionar tiempos de respuesta suficientemente rápidos para manejar eventos de ESD de alto voltaje, y hay diodos TVS diseñados para tipos de señal específicos.

Tus Señales También se Filtran

¿No sería genial si este tipo de capacitores en líneas de señal solo filtraran el ESD y no tus señales? El componente de protección contra ESD ideal que realmente puede hacer eso es un diodo TVS.

La colocación de un capacitor como elemento de derivación a tierra en líneas de señal digital esencialmente filtra tu señal y limita el ancho de banda disponible del canal. Esto es perjudicial para el diseño de alta velocidad, donde idealmente nos gustaría no tener limitación de ancho de banda. Lo irónico es que el filtrado de señal será más severo que el filtrado por ESD, porque los pulsos típicos de ESD no son tan rápidos como la mayoría de las señales de alta velocidad. Esta es otra razón para no usar capacitores y simplemente quedarse con diodos TVS si hay un requisito de resistencia a ESD en tu sistema.

Transitorios Lentos y Líneas de Alimentación

Un transitorio "lento" aquí se refiere a cualquier transitorio con un tiempo de transición que es mucho menor que el tiempo de respuesta del capacitor. En este caso, típicamente verás capacitores de microfaradios. Basado en la suposición de que un transitorio es lento y en la conservación de carga, se puede idear un argumento que ilustra cómo los capacitores proporcionan protección ESD:

1. Supongamos que tenemos un pulso ESD V que entrega una corriente total I
2. A partir de I y el tiempo total del pulso, podemos calcular la carga total entregada durante el pulso ESD Q
3. Q y V definen una capacitancia equivalente C que suministra el pulso ESD
4. Si C se modela como si estuviera en paralelo con nuestro capacitor ESD C*, entonces Q se distribuirá entre C y C* juntos
5. Esto reduce el voltaje total visto en las entradas del circuito protegido

El modelo de circuito equivalente utilizado en este argumento se muestra a continuación.

Si simplemente calculamos el nuevo voltaje que se observaría después de que la carga existente se distribuya entre el capacitor de protección (C*) y la fuente ESD (C), esperaríamos el siguiente voltaje:

Por lo tanto, la capacitancia requerida es:

En este modelo de redistribución de carga, reducir un voltaje ESD de 5 kV a 3.3 V para proteger una línea lógica requiere C* = 500 nF de capacitancia, asumiendo que la fuente ESD tiene una capacitancia equivalente de C = 330 pF. Si aplicamos una desclasificación del 50%, necesitamos un capacitor de 1 uF en este caso. Note que en situaciones reales, la fuente ESD puede parecerse más al modelo de cuerpo humano, que incluye una mayor resistencia en serie en la fuente y una menor capacitancia de fuente.

¿Es esto bueno o malo? Para las líneas de alimentación, se puede justificar que esto es apropiado, pero no protege en todas las situaciones hasta altos voltajes de soporte. Sus capacitores de volumen estándar harán un mejor trabajo protegiendo el circuito en comparación con pequeños SMDs. En la mayoría de los casos, de todas formas se necesitarán mecanismos de protección de circuito adicionales.

Si intentas esto en líneas de señal, podrías encontrar que el tamaño de carcasa requerido es muy grande. Estos capacitores también filtrarán severamente las señales y crearán una limitación de ancho de banda excesiva. Sin embargo, si el pin de E/S en el componente receptor puede tolerar tiempos de transición de microsegundos en una línea de configuración (como un pin ENABLE en un ASIC, o posiblemente I2C), entonces el uso de un capacitor podría justificarse pero no proporcionará protección integral de una línea de señal. Una vez más, solo usa diodos TVS si hay un requisito de resistencia.

Dónde los Capacitores Podrían Ayudar: Pequeñas Sobretensiones y Eventos de Conmutación

Justo porque los capacitores no son la mejor opción para eventos de ESD, no significa que no sean útiles para ciertas formas de protección de circuitos. Pequeñas sobretensiones y el filtrado de voltajes transitorios de eventos de conmutación son dos instancias donde un capacitor proporcionará valor ya que aún pueden responder más rápido que las típicas sobretensiones de baja tensión y voltajes transitorios.

Las sobretensiones pueden variar desde valores pequeños hasta miles de voltios. Para líneas conectadas a la alimentación principal o una fuente no regulada, es típico ver un enfoque de tres puntas para asegurar que la energía rectificada sea estable y las sobretensiones sean suprimidas antes de que esa energía se distribuya a dispositivos aguas abajo: Esto involucraría los siguientes componentes:

• Tubo de descarga de gas - Respuesta lenta para protección contra altos voltajes
• Diodo TVS - Respuesta muy rápida a pulsos de alto voltaje/baja corriente
• Varistor - Este componente cambia su resistencia en respuesta a un voltaje aplicado

Incluso podrías ver un relé de detección de voltaje y fusibles en estos sistemas. Ambos pueden usarse con otros elementos del circuito para proporcionar protección contra sobrevoltaje y protección contra sobrecorriente al abrir y luego restablecer un circuito protegido

Verás estos componentes usados en protectores contra sobretensiones en tu hogar; la misma estrategia puede usarse en un PCB que debe recibir energía de la red o energía no regulada. También habrá un interruptor de reinicio que cierra el circuito después de un evento de sobretensión, como se muestra en el ejemplo a continuación.

Los capacitores de salida en estas líneas (conectados a un rectificador de puente) proporcionan una doble función de estabilizar el voltaje rectificado y reducir la magnitud de sobretensiones lentas. Estos tienden a ser capacitores más grandes, por lo que pueden tener valores de carcasa grande y alta resistencia al voltaje, pero a expensas de un tiempo de respuesta más lento debido a su ESL. Así, desvían algo de potencia de las sobretensiones más lentas antes de que su tubo de gas descargue o su diodo TVS comience a conducir. En contraste, la mayoría de la protección requerida en situaciones de alta resistencia con transitorios más rápidos no es proporcionada por estos capacitores, sino por la lista de componentes mencionada anteriormente.

Para aprender más sobre la protección ESD, lee estos recursos:

• ¿Qué es ESD y cómo afecta el diseño de mi PCB?
• Guía para Principiantes sobre el Diseño de Circuitos de Protección ESD para PCBs
• Utilizando Técnicas de Conexión a Tierra ESD para Proteger tu PCB de Daños Eléctricos

En conclusión, los capacitores son útiles en situaciones limitadas, donde los transitorios son más lentos y no producen voltajes/corrientes excesivamente altos. Tales casos son en el caso de sobrepasos o picos durante eventos de conmutación, que básicamente son pequeñas sobretensiones en sistemas de potencia. Transitorios más grandes requieren capacitores más grandes, lo que significa que esta sería una mejor estrategia para potencia pero no tanto para señales. Para otras formas de ESD, otros componentes harán un mejor trabajo proporcionando protección integral contra ESD.

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