¿Qué es la descarga electroestática (ESD) y cómo afecta al diseño de mi PCB?

Acabo de mudarme al árido oeste de los Estados Unidos después de un par de años en el sur. Crecí aquí, pero había olvidado lo común que es tener pequeños choques estáticos. El alto índice de humedad en el sur hace que el aire sea más conductivo. Sin embargo, aquí el aire seco y, por lo tanto, más aislante, significa que los choques son mucho más grandes cuando los recibes. De niños, solíamos cruzar la alfombra con los calcetines y tratar de darnos choques unos a otros (esto está muy mal visto en las bodas; le advierto).

Aunque aún estoy sorprendido por cada choque, no tengo daños. Esto no ocurre con los sistemas electrónicos, que pueden destruirse por tensiones tan pequeñas que nunca se sentirían. Como resultado, es importante planificar la mitigación y protección en sus diseños de PCB.

Es fácil generar descarga electroestática simplemente caminando, aunque no lo esté haciendo intencionalmente.

�Qué es la ESD?

La descarga electrostática (ESD) ocurre cuando dos objetos con cargas diferentes se acercan lo suficiente, o se cargan lo suficiente, como para romper el dieléctrico entre ellos. En el caso de los productos de consumo, esta ruptura suele producirse en el aire, con tensiones superiores a 40 kV/cm.

El relámpago es la forma de ESD con la que la gente está más familiarizada, cuando las nubes y la tierra forman un condensador gigante. Es menos dramático cuando se sacude un paño o una manta de lana por la noche y se ven saltar las pequeñas chispas.

El relámpago es una descarga electrostática masiva, cuando se rompe el dieléctrico de aire entre las nubes y la tierra.

�Cuáles son los efectos de la descarga ESD en mi PCB?

Cualquier PCB puede estar sujeta a una ESD si se toca o se acerca lo suficiente a personas, embalajes, cables, mascotas con pelo o cualquier otro objeto que pueda contener una carga opuesta. Cuando se tocan, ese voltaje se descarga y crea un pico de voltaje comparativamente masivo. A medida que se disipa el pico de tensión, la corriente de descarga genera campos electromagnéticos a través de la PCB. El objetivo de la protección contra ESD es minimizar cualquier impacto o efecto de la descarga y EM resultante.

En particular, muchos chipsets modernos se fabrican utilizando características de litografía tan pequeñas que tienen poca o ninguna tolerancia a la alta tensión, incluso los valores de CC por encima de su tensión de funcionamiento de 3,3 V. El resultado de un evento de ESD que llega directamente a uno de estos componentes suele ser desastroso, arruinando por completo el CI.

Casi todos los elementos de su diseño de PCB (trazos, rutas, capas, colocación de componentes y espaciado) pueden afectar la protección contra la ESD de su tarjeta. Esto significa que necesita considerar la ESD al principio de su proceso de diseño; de lo contrario, es probable que necesite un rediseño importante de la PCB para solucionar los problemas de enrutamiento y colocación de componentes.

¿Qué causa la ESD en los productos?

Incluso si no estás luchando contra los primos gigantes con una envergadura de alas de pterodáctilo y enormes pies colectores estáticos, todavía puede haber eventos de ESD debido a una actividad muy mundana. Con frecuencia, caminar solo recoge suficiente carga para dañar los componentes comunes.

En una PCB, una descarga normalmente se origina en la interfaz del usuario u otra entrada. Cualquier actividad, como enchufar cables o pulsar botones, teclas o tocar pantallas, puede provocar una descarga, y a menudo lo hace. Además, tocar los componentes puede ser muy malo. Perdí muchos módulos RF de esa manera.

Los enchufes y conectores son la fuente más común de descarga ESD con efectos en las PCB de los productos de consumo.

�Cómo protejo mi tarjeta?

La primera línea de defensa para su PCB es proteger la tarjeta de cualquier conexión externa. Como esta es la forma en que los usuarios suelen interactuar con su producto, merece una consideración seria. Cada vez que alguien enchufa algo, extrae un cable o pulsa un botón, está poniendo el dispositivo en riesgo de ESD.

En su PCB, asegúrese de que todos y cada uno de los conectores estén conectados utilizando un soporte de cobre o un terminal. Debe mantener el terminal separado de la toma a tierra de la PCB para que ningún choque en la entrada se dirija inmediatamente a todos los demás componentes de la tarjeta.

En lugar de conectarlo a tierra, debe utilizar un TVS (supresor de voltaje transitorio) en cada conexión externa para proteger la tarjeta y sus componentes sensibles. El TVS es un pequeño circuito de diodos que bloquea la mayoría de las entradas de tensión, pero que se rompe en condiciones de alta tensión, ayudando a proteger el resto de la PCB.

Existen otras prácticas de diseño que debe utilizar:

• Reducir bucles de circuito
• Utilizar buenas prácticas de puesta a tierra
• Minimizar la inductancia parasitaria
• Limitar la longitud de trazo

Manténgase atento, discutiremos estos puntos con más detalle en las próximas semanas.

Es cierto que el seguimiento de las tolerancias de tensión de sus partes, la verificación de los anchos de pistas y el cumplimiento de todos los demás requisitos puede ser un calvario, pero es una parte necesaria para diseñar una tarjeta bien protegida. Las grandes herramientas de PCB, como Altium Vault y las características de Altium Designer, pueden facilitar el seguimiento de sus requisitos y reglas de diseño. Luego usted podrá concentrarse en las partes entretenidas de su diseño de PCB. Los representantes de Altium están disponibles para ayudarle ahora... o después de que haya terminado de probar la ESD en casa frotando globos sobre su perro para hacer que se levante su pelaje.

¿Tiene alguna pregunta sobre la EDS? Comuníquese con un representante de Altium.