Un condensateur doit-il être utilisé pour la protection contre les décharges électrostatiques (ESD)?

J'ai récemment vu une publication sur LinkedIn concernant l'utilisation de condensateurs pour la protection ESD des lignes venant d'un connecteur vers un PCB. Je n'étais pas au courant, mais apparemment, il existe une opinion assez répandue selon laquelle les condensateurs peuvent être placés sur les lignes d'alimentation et les lignes de signal comme une forme de protection ESD. Est-ce une directive appropriée?

Mon avis, ainsi que celui d'autres concepteurs très expérimentés, est que les condensateurs ne sont pas universellement appropriés comme seule forme de protection ESD sur chaque circuit venant d'un connecteur. Cela est particulièrement vrai pour les signaux à haute vitesse. Un simple regard sur les capacités de charge/décharge des condensateurs, leurs capacités de filtrage, et les tensions nominales typiques des condensateurs, révèle pourquoi cette directive ne devrait pas être suivie aveuglément.

Des condensateurs pour la protection ESD?

La directive que je mentionne ici recommande d'utiliser un condensateur de 1 pF à 1 nF pour la protection ESD sur les éléments suivants:

• Toutes les lignes de signal venant d'un connecteur
• Toutes les lignes d'alimentation venant d'un connecteur

Si vous y réfléchissez simplement du point de vue de la dérivation des tensions rapides vers la terre, alors l'idée d'utiliser un très petit condensateur pour fournir une protection ESD a du sens; le condensateur agit essentiellement comme un filtre.

Cependant, une fois que vous regardez les spécifications des vrais condensateurs, vous verrez qu'il y a de bonnes raisons de ne pas utiliser les condensateurs comme seule forme de protection ESD dans votre système.

Transitoires rapides et hautes tensions

Notes de tension et taille de boîtier

Le premier endroit où commencer lorsqu'on examine un composant comme solution potentielle à l'ESD est la note de tension.

Réseaux électriques: Dans ce cas, nous pourrions tenter d'utiliser des condensateurs haute tension pour la protection. Comme on peut le voir dans les données, la note de tension et la capacité sont liées à travers la taille du boîtier.

Si vous travaillez dans un système haute tension où vous pourriez vous attendre à une ESD, il existe des condensateurs haute tension disponibles qui peuvent être utilisés. Dans le cas typique d'ESD, vous pourriez décharger suffisamment de charge à travers le condensateur de protection, mais cela pourrait nécessiter une grande taille de boîtier SMD, en fonction de votre note de tension cible.

L'image ci-dessous montre des données d'condensateurs céramiques haute tension d'AVX; ces condensateurs sont le type que vous utiliseriez typiquement si vous aviez besoin de faible capacité et de haute tension dans une taille de boîtier suffisamment petite pour se connecter aux pistes d'un connecteur.

Les valeurs dans ce tableau sont typiques d'autres composants de fournisseurs et elles devraient clairement indiquer qu'il pourrait être difficile de trouver un condensateur adapté pour la protection ESD. Pour cette partie, une protection jusqu'à des tensions très élevées nécessite une grande taille de boîtier de 3640, ce qui occupe beaucoup d'espace. Si, par exemple, nous avons un connecteur d'entrée/sortie à 40 broches et que nous voulions avoir un condensateur sur chaque ligne de signal, nous préférerions quelque chose comme une taille de boîtier 0402, et non pas un grand boîtier de 3640. Vous pourriez adapter des boîtiers de taille 3640 sur des fils provenant d'un connecteur d'alimentation à des tensions plus élevées, mais vous ne pourriez jamais adapter un grand nombre de condensateurs 3640 sur des lignes de signal provenant d'un connecteur.

Réseaux de signaux: Pour les réseaux de signaux, la tension nominale de votre condensateur devra être proche du niveau logique avec une certaine dépréciation appliquée. En d'autres termes, la tension nominale doit dépasser la tension continue la plus élevée attendue sur la ligne, tandis que la taille du condensateur doit être assez grande. Dans ces cas, vous pouvez trouver des condensateurs d'environ 100 nF dans des boîtiers de taille 0402 avec des tensions nominales de niveau logique. Cependant, de tels gros condensateurs ne sont pas souhaitables en raison de leur capacité à filtrer les signaux rapides (voir ci-dessous). Encore une fois, il peut être préférable d'éviter les condensateurs comme seule forme de protection contre les ESD sur les lignes de signal et de s'appuyer plutôt sur une autre méthode.

Temps de réponse et inductance en série (ESL)

La raison suivante pour laquelle nous préférerions les diodes TVS aux condensateurs est le temps de réponse et la bidirectionnalité des diodes TVS. Le temps de réponse d'un condensateur serait important lors d'un événement ESD car, si vous vouliez dévier cette puissance vers la terre, le condensateur doit se charger/décharger plus rapidement que cet événement ESD afin de fournir une action de filtrage.

Certains diodes TVS bidirectionnelles peuvent réagir de l'ordre de la picoseconde lorsqu'elles sont soumises à une tension transitoire rapide. Atteindre le même niveau avec les condensateurs disponibles sur le marché nécessiterait des niveaux de capacité en pF et une ESL très faible. Ces condensateurs existent, mais leurs tensions nominales tendent à être aux niveaux logiques, et non aux niveaux en kV, en raison de leur petite taille de boîtier (0402 ou 0201). Les tailles de boîtier typiques ont une ESL plus élevée, donc elles ne sont pas souhaitables.

Le circuit équivalent de condensateur montré ici prend en compte l'excitation des résonances par un transitoire rapide, y compris un événement ESD.

En raison du problème de la tension nominale, et à cause de l'inductance des condensateurs haute tension typiques nécessitant de grandes tailles de boîtier, il est préférable d'éviter les condensateurs comme forme de protection ESD, surtout sur les lignes de signal. Encore une fois, les diodes TVS sont une meilleure option car elles peuvent fournir des temps de réponse suffisamment rapides pour gérer les événements ESD de haute tension, et il existe des diodes TVS conçues pour des types de signaux spécifiques.

Vos Signaux Sont Aussi Filtres

Ne serait-il pas formidable si ces types de condensateurs sur les lignes de signal ne filtraient que l'ESD et non vos signaux? Le composant de protection ESD idéal capable de faire cela est une diode TVS.

Le placement d'un condensateur en tant qu'élément shunt à la terre sur les lignes de signal numérique filtre essentiellement votre signal et limite la bande passante disponible. Tout cela est préjudiciable pour la conception à haute vitesse, où nous aimerions idéalement ne pas avoir de limitation de bande passante. Ce qui est ironique, c'est que le filtrage du signal sera plus sévère que le filtrage ESD parce que les impulsions ESD typiques ne sont pas aussi rapides que la plupart des signaux à haute vitesse. C'est une autre raison de ne pas utiliser de condensateurs et de se contenter de diodes TVS s'il y a une exigence de résistance ESD dans votre système.

Transitoires lents et lignes d'alimentation

Un transitoire "lent" ici fait référence à tout transitoire dont le temps de transition est bien plus petit que le temps de réponse du condensateur. Dans ce cas, vous verrez typiquement des condensateurs de microfarads. En se basant sur l'hypothèse qu'un transitoire est lent et sur la conservation de la charge, on peut élaborer un argument illustrant comment les condensateurs fournissent une protection ESD:

1. Supposons que nous ayons une impulsion ESD V qui délivre un courant total I
2. À partir de I et du temps total de l'impulsion, nous pouvons calculer la charge totale délivrée pendant l'impulsion ESD Q
3. Q et V définissent une capacité équivalente C qui fournit l'impulsion ESD
4. Si C est modélisé comme étant en parallèle avec notre condensateur ESD C*, alors Q se répartira à la fois sur C et C*
5. Cela réduit la tension totale observée aux entrées du circuit protégé

Le modèle de circuit équivalent utilisé dans cet argument est montré ci-dessous.

Si nous calculons simplement la nouvelle tension qui serait observée après que la charge existante soit répartie à travers le condensateur de protection (C*) et la source ESD (C), nous nous attendrions à la tension suivante:

Par conséquent, la capacité requise est:

Dans ce modèle de redistribution de charge, la réduction d'une tension ESD de 5 kV à 3,3 V pour protéger une ligne logique nécessite une capacité de C* = 500 nF, en supposant que la source ESD ait une capacité équivalente de C = 330 pF. Si nous appliquons une dévalorisation de 50%, nous avons besoin d'un condensateur de 1 uF dans ce cas. Notez que dans les situations réelles, la source ESD peut ressembler davantage au modèle du corps humain, qui inclut une résistance série plus grande sur la source et une plus petite capacité de source.

Est-ce bon ou mauvais? Pour les lignes d'alimentation, vous pouvez justifier que cela est approprié, mais cela ne protège pas dans toutes les situations jusqu'aux tensions de tenue élevées. Vos condensateurs de masse standard feront un meilleur travail de protection du circuit par rapport aux petits CMS. Dans la plupart des cas, des mécanismes de protection de circuit supplémentaires seront de toute façon nécessaires.

Si vous essayez cela sur des lignes de signal, vous pourriez constater que la taille de boîtier requise est très grande. Ces condensateurs filtreront également sévèrement les signaux et créeront une limitation excessive de la bande passante. Cependant, si la broche d'entrée/sortie sur le composant récepteur peut tolérer des temps de transition de l'ordre de la microseconde sur une ligne de configuration (comme une broche ENABLE sur un ASIC, ou éventuellement I2C), alors cette utilisation d'un condensateur pourrait se justifier mais ne fournira pas une protection complète d'une ligne de signal. Encore une fois, utilisez simplement des diodes TVS s'il y a une exigence de résistance.

Où les condensateurs peuvent être utiles: Petites surtensions et événements de commutation

Juste parce que les condensateurs ne sont pas la meilleure option pour les événements ESD, cela ne signifie pas qu'ils ne sont pas utiles pour certaines formes de protection de circuit. Les petites surtensions et le filtrage des tensions transitoires dues aux événements de commutation sont deux instances où un condensateur apportera de la valeur car ils peuvent encore répondre plus rapidement que les surtensions de faible tension typiques et les tensions transitoires.

Les surtensions peuvent varier de petites valeurs à des milliers de volts. Pour les lignes connectées à l'alimentation principale ou à une alimentation non régulée, il est typique de voir une approche à trois branches pour assurer que l'alimentation redressée est stable et que les surtensions sont supprimées avant que cette puissance soit distribuée aux dispositifs en aval: Cela impliquerait les composants suivants:

• Tube à décharge de gaz - Réponse lente pour la protection contre les hautes tensions
• Diode TVS - Réponse très rapide aux impulsions de haute tension/faible courant
• Varistance - Ce composant change sa résistance en réponse à une tension appliquée

Vous pourriez également voir un relais de détection de tension et des fusibles sur ces systèmes. Les deux peuvent être utilisés avec d'autres éléments de circuit pour fournir une protection contre les surtensions et une protection contre les surintensités en ouvrant et en réinitialisant ultérieurement un circuit protégé.

Vous verrez ces composants utilisés sur les protecteurs de surtension dans votre maison; la même stratégie peut être utilisée dans un PCB qui doit recevoir du courant secteur ou du courant non régulé. Il y aura également un interrupteur de réinitialisation qui ferme le circuit après un événement de surtension, comme montré dans l'exemple ci-dessous.

Les condensateurs de sortie sur ces lignes (connectés à un pont redresseur) assurent une double fonction de stabilisation de la tension redressée et de réduction de l'ampleur des surtensions lentes. Ce sont généralement des condensateurs de grande taille, donc ils peuvent avoir de grandes dimensions et des valeurs de tenue en haute tension, mais au prix d'un temps de réponse plus lent en raison de leur ESL. Ainsi, ils dérivent une partie de la puissance des surtensions lentes avant que votre tube à gaz ne se décharge ou que votre diode TVS commence à conduire. En contraste, la plupart de la protection requise dans des situations de haute tenue avec des transitoires plus rapides n'est pas fournie par ces condensateurs mais est plutôt assurée par la liste des composants mentionnés ci-dessus.

Pour en savoir plus sur la protection ESD, lisez ces ressources:

• Qu'est-ce que l'ESD et comment cela affecte-t-il la conception de mon PCB ?
• Guide du débutant pour la conception de circuits de protection ESD pour les PCB
• Utilisation des techniques de mise à la terre ESD pour protéger votre PCB des dommages électriques

En conclusion, les condensateurs sont utiles dans des situations limitées, où les transitoires sont plus lents et ne produisent pas de tensions/courants excessivement élevés. Ces cas se présentent lors de dépassements ou de pics pendant les événements de commutation, qui sont essentiellement de petites surtensions dans les systèmes d'alimentation. Les transitoires plus importants nécessitent des condensateurs plus grands, ce qui signifie que cela serait une meilleure stratégie pour l'alimentation, mais pas tant pour les signaux. Pour d'autres formes d'ESD, d'autres composants feront un bien meilleur travail pour fournir une protection complète contre l'ESD.

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