Qu'est-ce qu'une ESD et comment peut-elle affecter la conception de mon circuit imprimé?

La foudre est une décharge électrostatique massive, qui résulte de la rupture du diélectrique de l’air entre la terre et les nuages.

Je viens d’emménager dans l’ouest aride des États-Unis après avoir vécu quelques années dans le sud. C'est là que j'ai grandi, mais j’avais oublié qu'il était si fréquent de recevoir ces petites décharges électrostatiques. L’indice d’humidité élevé du sud rend l’air plus conducteur. Comme l'air ici est sec et donc plus isolant, les décharges sont beaucoup plus fortes lorsque vous les recevez. Alors que je n'étais qu'un gamin, nous avions l'habitude de jouer à faire des glissades en chaussettes sur le tapis afin de créer des décharges électriques sur une autre personnes.

Même si chaque décharge me surprend toujours, je m'en suis toujours bien remis. Mais cela n’est pas vrai pour l’électronique, qui peut être détruite par des tensions si petites que vous ne les sentiriez jamais. Il est donc important de prendre des précautions pour atténuer ces décharges et protéger vos circuits dès leur conception.

On peut facilement générer suffisamment de tension différentielle pour créer une décharge électrique simplement en marchant, même si cela n'est pas intentionnel.
 

Qu'est-ce qu'une ESD ?

Une décharge électrostatique (ESD) se produit lorsque deux objets avec des charges différentes se rapprochent suffisamment, ou sont chargés suffisamment, pour rompre la matière diélectrique qui les sépare. Dans le cas des objets habituels, la rupture se produit habituellement dans l'air quand la tension dépasse les 40 kV/cm.

La foudre est la forme d'ESD avec laquelle les gens sont généralement les plus familiers, quand les nuages et la terre forment un condensateur géant. Un autre exemple moins spectaculaire, c'est quand vous secouez une couverture en molleton ou en laine alors qu'il fait sombre et qu'apparaissent de petites étincelles.

Comment les ESD peuvent-elles affecter mon circuit imprimé ?

N'importe quel circuit imprimé peut être endommagé par des ESD s'il est touché, ou s'il est suffisamment proche de personnes, du boîtier, des câbles, de poils d’animaux ou de tout autre objet pouvant contenir une charge opposée. Quand il y a contact, il y a décharge et création d'une pointe de tension très élevée. Durant la dissipation de cette pointe de tension, le courant de décharge génère des champs électromagnétiques dans tout le circuit imprimé. L’objectif de la protection contre les ESD est de minimiser les effets de la décharge et des champs électromagnétiques qui en résultent.

En particulier, de nombreux chipsets modernes sont faits en utilisant des détails lithographiques si petits qu’ils ont peu ou pas de tolérance vis-à-vis des tensions élevées, voire des valeurs DC juste au-dessus de leur tension de fonctionnement de 3,3 V. Lorsqu'un ESD touche directement n'importe lequel de ces composants, les résultats sont généralement catastrophiques, car cela détruit complètement le CI.

Presque tous les éléments de votre conception de circuits imprimés (pistes, routage, couches, placement des composants et espacement) ont un impact sur la protection ESD de votre carte. Cela signifie que vous devez tenir compte des ESD dès le début de votre processus de conception. Sinon, vous pourriez avoir à reconcevoir une grande partie de votre circuit imprimé pour résoudre les problèmes de routage et de placement.

Qu'est-ce qui crée des ESD dans les produits ?

Même si vous n'avez rien à craindre de cousins géants dotés d'ailes de ptérodactyle et de pattes immenses qui collectent l'énergie électrostatique, vous n'êtes pas à l'abri d'événements ESD résultant d'une activité tout à fait banale. Souvent, il suffit de marcher pour recueillir une charge suffisante capable d'endommager les composants.

Sur un circuit imprimé, les décharges se produisent habituellement au niveau de l’interface utilisateur ou d'une entrée quelconque. Le fait de brancher des câbles ou encore de toucher des boutons, des touches ou l'écran peut entraîner, et c'est souvent le cas, des décharges, le fait de toucher les composants aussi. J’ai perdu beaucoup de modules RF de cette façon.

Les fiches et les connecteurs sont la source la plus courante d'ESD dans les produits grand public.

Comment puis-je protéger ma carte ?

La première façon de protéger votre circuit imprimé consiste à protéger la carte des connexions externes. Puisque c’est ainsi que les utilisateurs interagiront le plus souvent avec votre produit, elles méritent un examen approfondi. Chaque fois que quelqu'un branche quelque chose, ou débranche un câble, ou appuie sur un bouton, l'appareil court des risques d'ESD.

Sur votre circuit imprimé, assurez-vous que tous les connecteurs sont attachés à une plage  ou une pastille en cuivre. Vous devez conserver la pastille séparée de la masse du circuit imprimé de façon à ce que les décharges sur cette entrée ne soient pas immédiatement routées vers tous les autres composants de la carte.

Au lieu de connecter la pastille à la masse, vous devriez mettre un TVS (surpresseur de tension transitoire) sur chaque connexion externe pour protéger la carte et ses composants sensibles. Le TVS est un petit circuit de diodes qui bloque la plus grande partie de la tension d’entrée, mais qui se rompt à haute tension, protégeant ainsi le reste du circuit imprimé.

Nous vous conseillons un certain nombre d’autres pratiques de conception, telles que :

• Réduire les boucles de circuit
• Faire de bonnes mises à la terre
• Minimiser l’inductance parasite
• Minimiser la longueur des traces

Restez connecté, nous discuterons de ces points plus en détail dans les semaines à venir.

S'il est vrai que vérifier les tolérances de tension de vos composants ainsi que la largeur des pistes, et respecter toutes les autres exigences peut être très laborieux, c'est toutefois une partie essentielle de la conception d'une carte de circuit imprimé bien protégée. Des outils de circuit imprimé excellents, comme Altium Vault et les fonctionnalités d’Altium Designer, peuvent simplifier grandement le suivi de ces exigences et règles de conception. Vous pouvez alors vous concentrer sur la partie intéressante de la conception. Les représentants d'Altium sont disponibles pour vous aider dès maintenant... ou une fois que vous aurez terminé vos tests d'ESD en frottant des balles sur votre chien pour faire dresser ses poils.

Vous avez des questions au sujet des ESD ? Contactez un de nos représentants chez Altium.