Le guide de la protection ESD dans la conception de PCB

Votre PCB risque de subir des décharges électrostatiques (ESD) au cours de sa vie. La protection contre ces ESD est particulièrement importante pour les circuits destinés à être en contact avec l'environnement physique.

Un tel circuit peut comporter un connecteur de communication externe qui n'est pas protégé contre l'électricité statique, ou qui n'est pas lui-même protégé électrostatiquement, ce qui pourrait entraîner une défaillance des composants en cas de décharge électrostatique.

Normalement, la charge électrique statique s'accumule pendant le fonctionnement d'un appareil, ce qui finit par causer une forte décharge électrostatique. En plaçant un circuit de protection contre les ESD de manière stratégique dans votre conception, vous pouvez éviter la défaillance d'un circuit sensible.

La conception du circuit de protection contre les ESD se fait au moment de dessiner les schémas des circuits. Vous devrez ensuite l'appliquer à l'agencement de votre circuit imprimé.

Dans cet article, nous allons vous présenter les principaux circuits de protection contre les décharges électrostatiques et la manière dont vous pouvez les inclure dans votre prochaine conception.

Conception de circuits de protection contre les ESD dans vos schémas

L'objectif de la conception de circuits de protection contre les décharges électrostatiques est de déterminer les endroits où une décharge affecterait des composants importants, puis d'ajouter quelques mesures de suppression ou des circuits de dérivation pour s'assurer que la tension de la décharge ne dépasse jamais une certaine limite.

La méthode la plus simple et la plus couramment utilisée à cette fin est l'utilisation de diodes polarisées en inverse comme éléments de dérivation dirigés vers la masse ; il peut s'agir d'un plan de masse dans le circuit imprimé ou bien du boîtier d'un système de mise à la terre.

Quatre méthodes sont couramment utilisées pour supprimer les décharges électrostatiques ou y résister :

1. Diodes de suppression de tensions transitoires (transient voltage suppressor, TVS)
2. Suppresseurs de décharges électrostatiques
3. Diodes polarisées en inverse pour les tensions limites
4. Fusibles ou relais

Nous n'aborderons pas les fusibles et les relais, car ces éléments se trouvent parfois hors du PCB et ils sont généralement utilisés dans les circuits d'alimentation. Nous allons plutôt nous intéresser aux trois premières options, car ce sont les plus courantes et les plus simples à mettre en œuvre sur le circuit imprimé.

Diodes TVS et circuits à diodes comme protection contre les ESD

Les circuits de protection à diodes TVS font partie des circuits les plus courants dans les contextes non industriels et basse tension.

Par rapport aux autres composants de protection contre les décharges électrostatiques intégrés dans les circuits imprimés de gestion de l'alimentation ou les microcontrôleurs, les protecteurs de surtension à diodes TVS permettent de supprimer une tension plus élevée et peuvent être placés près des entrées/sorties ou de toute source de décharge électrostatique, comme l'illustre l'exemple ci-dessous.

L'illustration ci-dessous montre un circuit à diode de limitation de tension typique. Le rôle principal de ce circuit est de limiter l'accumulation de tensions sur la borne d'entrée du tampon. Notez que cela pourrait également être appliqué à l'entrée différentielle d'un amplificateur opérationnel.

Le fonctionnement de ce circuit est très simple et, dans des conditions normales, les diodes D1 et D2 sont polarisées en inverse.

Lorsque la tension à l'entrée est supérieure à la tension du rail d'alimentation, la diode D1 est polarisée en direct et conduit le courant. De même, lorsque la tension à l'entrée descend en dessous de la masse, la diode D2 est polarisée en direct et conduit le courant de la masse vers l'entrée.

Le circuit ci-dessus pourrait utiliser des diodes simples avec une tension de limitation à polarisation inverse élevée (par exemple, une diode Zener) ou des diodes TVS combinées en parallèle ou dos à dos. Les principaux facteurs permettant de déterminer le type de diodes à utiliser sont la tension de limitation et le courant direct.

Les diodes TVS sont classées en deux types qui peuvent agir, soit comme des ouvertures dans des conditions de fonctionnement normales, soit comme des courts-circuits à la terre en cas de surtension causée par une décharge électrostatique. 

Autre protection contre les décharges électrostatiques : les diodes TVS unidirectionnelles

L'illustration ci-dessous montre une diode de surtension TVS unidirectionnelle destinée à la protection contre les décharges électrostatiques.

Notez que la diode TVS peut être une simple diode Zener ou un composant spécifiquement commercialisé en tant que diode TVS (par exemple, la série Transzorb de Vishay), comme indiqué dans le schéma ci-dessous.

Pendant le cycle positif d'une décharge électrostatique, cette diode est polarisée en inverse et fonctionne en mode avalanche ; le courant de la décharge électrostatique circule ainsi de l'entrée à la masse.

Pendant un cycle négatif, cette diode TVS devient polarisée en direct et conduit le courant de la décharge électrostatique.

C'est donc en empêchant ou en permettant le passage d'un courant de décharge électrostatique, en fonction de sa polarité, qu'une diode TVS unidirectionnelle protège le circuit contre les ESD.

Les diodes TVS bidirectionnelles protègent également contre les ESD

Le schéma ci-dessous montre l'utilisation typique de diodes de surtension TVS bidirectionnelles pour protéger des composants sensibles aux décharges électrostatiques.

Notez qu'il s'agit d'une simple disposition dos à dos de diodes Zener. Une résistance supplémentaire peut être ajoutée si une limite de courant supplémentaire est nécessaire.

Pendant le cycle positif d'une décharge électrostatique transitoire, l'une des deux diodes est polarisée en direct et l'autre est polarisée en inverse. Cela signifie qu'une diode conduit le courant en raison de sa polarisation en direct tandis que l'autre agit en mode avalanche. De cette manière, les deux diodes forment un chemin menant à la terre à partir de la source d'une décharge électrostatique.

Pendant un cycle négatif, les diodes échangent leurs modes, créant à nouveau un passage et le circuit reste protégé.

Ce circuit est préférable dans le cas où vous ne savez pas nécessairement quelle sera la polarité possible d'une décharge électrostatique au niveau de l'entrée/sortie du système.

Autres composants suppresseurs de décharges électrostatiques

Il existe d'autres composants suppresseurs de décharges électrostatiques, tels que des varistances multicouches, des tubes à décharge de gaz et des suppresseurs à base de polymère.

Les composants de suppression de décharges électrostatiques sont utilisés pour réduire les tensions des ESD pour qu'elles ne dépassent pas une certaine limite afin de protéger un circuit ou un groupe de composants.

Un composant ou un circuit suppresseur est connecté en parallèle à une ligne vulnérable, qui maintient une faible tension de décharge électrostatique en dessous d'une certaine limite et dévie le courant principal de la décharge vers la masse.

Les fiches techniques de ces composants comportent souvent des circuits illustrant leur utilisation. Ces exemples de circuit peuvent comporter une diode TVS destinée à fournir une suppression de décharge électrostatique de basse tension supplémentaire.

Exemple : tube à décharge de gaz + diode TVS

Pour faire face aux hautes tensions, une stratégie consiste à utiliser un tube à décharge de gaz en parallèle avec une diode TVS et une inductance. L'inducteur et la diode TVS agissent comme un circuit RL passe-bas qui fournit un filtrage supplémentaire et ralentit le temps de montée de l'impulsion de la décharge électrostatique.

Puisqu'il s'agit essentiellement d'un filtre passe-bas avec une grande constante de temps, ce circuit permettra à la tension continue nominale de passer tout en fournissant une impédance élevée pour tout courant de décharge électrostatique passant par le tube à décharge.

Le fusible à l'entrée offre une protection supplémentaire contre les fortes tensions de décharge électrostatique.

Intégrer la protection contre les ESD dans l'agencement de votre PCB

Même si, pendant la saisie de schémas, vous ajoutez des circuits de protection contre les décharges électrostatiques à votre conception, il est toujours important de faire des choix de montage intelligents. Cela vous permettra d'assurer la protection contre les ESD des circuits sensibles dans la conception du PCB.

L'objectif de la suppression des décharges électrostatiques est de rendre le circuit plus fiable tout en réduisant les coûts de débogage et de dépannage futurs.

1. Utilisez un plan de masse dans l'empilage des couches du PCB :
   L'utilisation d'un plan de masse à l'intérieur du circuit imprimé fournit un grand conducteur de masse capable de recevoir tous les courants induits par une décharge électrostatique. Il offre de nombreux autres avantages tels que l'élimination des boucles de masse, la définition d'une impédance claire et la protection contre les interférences électromagnétiques.
2. Réduire la longueur des longues pistes :
   Si les pistes sont séparées de la masse et sont trop longues, elles peuvent avoir une inductance élevée. Non seulement elles peuvent facilement recevoir des interférences électrostatiques, mais elles peuvent également subir une oscillation transitoire lorsqu'un pic de tension élevé se propage sur la piste. Cette oscillation peut entraîner le dysfonctionnement d'une diode TVS ou d'un autre suppresseur.
3. Ne faites pas passer de pistes ou de composants sensibles à proximité de signaux haute tension :
   Ceci pour la simple raison que la probabilité de subir une décharge électrostatique est plus élevée lorsqu'un composant est placé près d'un signal ou d'un composant haute tension. Si vous avez des composants qui ne peuvent pas survivre à une forte décharge électrostatique ou surtension, le composant doit être tenu à l'écart de ces sources de tension. Un blindage mis à la terre autour des composants sensibles aux décharges électrostatiques leur apportera une protection supplémentaire
4. Servez-vous du boîtier : Si vous utilisez un boîtier en métal mis à la masse, vous pouvez tirer parti du fait qu'il agit comme une mise à la terre de sécurité. La création d'une connexion à faible impédance entre une zone sensible aux ESD de la conception (comme un connecteur) et le boîtier permet d'avoir une protection supplémentaire contre les décharges électrostatiques.

Concernant ce dernier point, il est difficile de trouver un équilibre entre la nécessité d'empêcher le bruit en mode commun et la nécessité d'un blindage contre les décharges électrostatiques. Les conceptions n'auront pas toutes besoin d'une protection contre les ESD sous la forme d'une connexion au boîtier ; il faut tenir compte de l'environnement dans lequel la conception sera déployée et de l'ampleur des décharges électrostatiques susceptibles d'être induites dans le composant.

Il est particulièrement important de s'assurer que l'assemblage électronique est protégé contre les décharges électrostatiques dans le cas des assemblages présentant une interface externe pour communiquer avec l'extérieur.

Bien que certains circuits intégrés disposent d'une protection contre les ESD sur la puce, il est tout de même recommandé de placer stratégiquement des circuits de protection contre ces dernières si le dispositif doit être utilisé dans un environnement présentant un risque de fortes décharges électrostatiques.

Ce type de protection peut être exigé dans le cadre des homologations FCC ou CE nécessaires pour vendre votre produit sur certains marchés.

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