ABC della progettazione dei circuiti di protezione dalle ESD per PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: September 27, 2021  |  Aggiornato: February 18, 2022
Progettazione di un circuito di protezione dalle ESD

Che ti piaccia o meno, il tuo PBC potrebbe essere soggetto a scariche elettrostatiche (ESD) nel corso del suo ciclo di vita. La ESD protection è importante soprattutto per i circuiti destinati a interfacciarsi con l'ambiente fisico. Tali circuiti possono presentare un connettore per la comunicazione esterna privo di protezione dall'elettricità statica o non protetto elettrostaticamente, il che può causare il guasto dei componenti durante un evento ESD.

È normale che si accumuli carica elettrostatica durante il funzionamento del dispositivo, provocando a lungo andare un grande evento ESD. Posizionando in modo strategico un circuito di protezione dalle ESD nel tuo progetto, potresti riuscire ad evitare il guasto dei circuiti sensibili. La progettazione di un ESD protection circuit avviene negli schemi elettrici al momento della creazione dei circuiti, per poi essere trasferito all'interno del layout PCB. In questo articolo esamineremo alcuni dei principali circuiti di protezione ESD e vedremo come includerli nel tuo prossimo progetto.

Progettazione di un ESD protection circuit negli schemi elettrici

L'obiettivo della progettazione di un ESD protection circuit è determinare dove l'ESD interesserà i componenti importanti, quindi aggiungere misure di soppressione specifiche o circuiti paralleli per garantire che la tensione ESD non superi un determinato limite. Il metodo più semplice e più comunemente utilizzato è attraverso l'uso di diodi polarizzati inversamente come shunt puntati verso la connessione ground; questa può essere un piano di massa all'interno del PBC, ma anche più semplicemente l'involucro in un sistema con messa a terra.

Quattro metodi comuni per sopprimere o resistere agli eventi ESD sono:

  1. Diodi di soppressione di tensione transitoria (TVS)
  2. Soppressori di ESD
  3. Diodi polarizzati inversamente per il serraggio delle tensioni
  4. Fusibili o relè
Scarica di gas per la protezione dalle ESD
I tubi a scarica di gas sono un'opzione per la protezione dalle ESD.

Non discuteremo qui di fusibili o relè poiché questi elementi si trovano a volte al di fuori del PCB e sono generalmente utilizzati nei sistemi di alimentazione. Analizzeremo invece le prime tre opzioni, poiché queste sono le più comuni e semplici da implementare sul PCB.

Diodi TVS e circuiti con diodi

I circuiti di ESD protection con diodi TVS sono tra le misure di protezione dalle ESD più comuni negli ambienti non industriali a bassa tensione. Rispetto ad altri componenti di protezione dalle ESD incorporati in circuiti integrati o microcontrollori per la gestione dell'alimentazione, i limitatori di sovratensione a diodi TVS forniscono una soppressione della tensione maggiore e possono essere posizionati vicino all'I/O o a qualsiasi fonte ESD, come mostrato nell'esempio seguente.

Design del circuito di protezione dalle ESD con diodo TVS
Esempio con un circuito di protezione dalle ESD costituito da diodi TVS collegati in parallelo su un I/O differenziale. Scopri di più su questo particolare circuito in questo articolo.

Di seguito è riportato un tipico circuito con diodi per il serraggio della tensione. La funzione principale di questo circuito di bloccaggio della tensione è quella di limitare l'accumulo di tensioni sul terminale di ingresso del buffer. Si noti che questo potrebbe essere applicato anche all'ingresso differenziale di un amplificatore operazionale. Il funzionamento di questo circuito è molto semplice e, in condizioni normali, i diodi D1 e D2 sono polarizzati inversamente. Quando la tensione all'ingresso è maggiore della tensione della pista d'alimentazione, il diodo D1 diventa polarizzato in avanti e conduttore. Allo stesso modo, quando la tensione all'ingresso scende sotto il livello ground, il diodo D2 diventa polarizzato in avanti e conduce la corrente dal ground all'ingresso.

Progettazione di un ESD protection circuit con diodo Zener
Diodi Zener utilizzati in un circuito di protezione dalle ESD sull'I/O di un buffer single-ended.

Il circuito illustrato sopra potrebbe utilizzare diodi singoli con un'elevata tensione di rottura della polarizzazione inversa (ad es. diodo Zener) o diodi TVS configurati in parallelo o in serie. I fattori principali impiegati per determinare il tipo di diodi da utilizzare sono la tensione di rottura e la corrente diretta.

I diodi TVS sono suddivisi in due tipi: entrambi agiscono come aperti in condizioni operative normali e come cortocircuiti verso terra in caso di sovratensione causata da scariche elettrostatiche. 

Diodi TVS unidirezionali

Di seguito è mostrato un diodo di sovratensione TVS unidirezionale per la ESD protection. Si noti che il diodo TVS può essere sia un semplice diodo Zener che un componente commercializzato specificamente come diodo TVS (ad esempio la serie Transzorb di Vishay, vedi sotto), come mostrato nello schema elettrico di seguito.

Design del circuito di protezione dalle ESD con diodo TVS
Diodo di protezione TVS unidirezionale sulla pista di alimentazione di un componente protetto.

Durante il ciclo positivo di un evento ESD, questo diodo diventa polarizzato inversamente e opera in modalità a valanga, determinando una corrente ESD dall'ingresso a terra. Durante un ciclo negativo, questo diodo TVS diventa polarizzato in avanti e conduce una corrente ESD. Ad esempio, un diodo TVS unidirezionale protegge il circuito dall'ESD impedendo o consentendo il flusso di una corrente ESD, in base alla sua polarità.

Diodi TVS bidirezionali

Lo schema seguente mostra l'uso tipico dei diodi di sovratensione TVS bidirezionali per la protezione dei componenti sensibili alle scariche elettrostatiche. Si noti come questa non sia che una semplice configurazione in serie di diodi Zener. È possibile aggiungere un resistore aggiuntivo se si richiede un'ulteriore limitazione di corrente.

Progettazione del circuito di protezione dalle ESD con diodo TVS bidirezionale
Diodo di protezione TVS bidirezionale sulla pista di alimentazione di un componente protetto. Questo simbolo sta per Infineon ESD101B102ELSE6327XTSA1.

Durante il ciclo positivo di un evento ESD transitorio, uno dei due diodi è polarizzato in avanti e l'altro è polarizzato inversamente, ovvero un diodo conduce corrente a causa della sua polarizzazione diretta mentre l'altro funziona in modalità a valanga. In questo modo, entrambi i diodi creano un percorso dalla fonte ESD a terra. Durante un ciclo ESD negativo, i diodi si scambiano le loro modalità, creando nuovamente un percorso e proteggendo quindi il circuito. Questa soluzione è preferibile quando non si conosce con certezza la polarità di un evento ESD dal punto di vista dell'I/O del sistema.

Altri componenti soppressori di ESD

Esistono altri componenti di protezione dalle ESD, come varistori multistrato, tubi a scarica di gas e soppressori a base di polimeri. I componenti di protezione dalle ESD vengono utilizzati per ridurre le tensioni ESD al di sotto di un determinato limite, in modo da proteggere un circuito o un gruppo di componenti. Un componente o un circuito di protezione viene collegato in parallelo a una linea vulnerabile, che mantiene una bassa tensione di scarica elettrostatica entro un certo limite e devia la corrente principale a terra. I datasheet di questi componenti spesso includono circuiti che ne illustrano l'uso. Questi circuiti di esempio possono includere un diodo TVS per fornire un'ulteriore soppressione delle scariche elettrostatiche a bassa tensione.

Esempio: tubo a scarica di gas + diodo TVS

Una strategia per la gestione delle alte tensioni consiste nell'utilizzare un tubo a scarica di gas in parallelo con un diodo TVS e un induttore. L'induttore e il diodo TVS agiscono come un circuito RL passa-basso, fornendo un filtraggio aggiuntivo e rallentando il tempo di salita dell'impulso ESD. Poiché si tratta fondamentalmente di un filtro passa-basso con una grande costante di tempo, questo circuito consente il passaggio della tensione CC nominale fornendo al contempo un'elevata impedenza per qualsiasi corrente di scarica elettrostatica che scorre attraverso il tubo di scarica. Il fusibile all'ingresso fornisce una protezione aggiuntiva contro le tensioni ESD elevate.

Tubo a scarica di gas e diodo TVS per ESD protection
Progettazione di un circuito di protezione dalle ESD utilizzando un diodo TVS e un tubo a scarica di gas.

ESD protection nel layout del tuo PCB

Anche se si aggiungono circuiti di protezione dalle ESD al progetto durante la cattura degli schemi, è comunque importante adottare scelte di layout intelligenti per garantire la protezione dalle ESD ai circuiti sensibili nel layout del PCB. Lo scopo della protezione dalle ESD è infatti quella di aumentare l'affidabilità del circuito riducendo al contempo gli eventuali costi di manutenzione e debug.

  • Utilizza un piano di massa nello stackup PCB: l'utilizzo di un piano di massa all'interno del PCB fornisce un grande conduttore con messa a terra in grado di accogliere qualsiasi corrente indotta da un evento ESD. Offre inoltre molti altri vantaggi, come l'eliminazione dei loop di massa, la definizione di una chiara impedenza e la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI).
  • Riduci la lunghezza delle tracce: tracce separate dal piano di massa e troppo lunghe possono avere un'induttanza elevata. Non solo ricevono facilmente interferenze elettromagnetiche, ma percorsi troppo lunghi sono soggetti anche a oscillazioni transitorie quando un picco di alta tensione si propaga attraverso la traccia. Questa oscillazione può causare il malfunzionamento di un diodo TVS o di un altro elemento di protezione.
  • Non sbrogliare tracce o componenti sensibili vicino a connessioni ad alta tensione: più un componente è vicino a una connessione o a un componente ad alta tensione, maggiore è la probabilità di un evento ESD. I componenti che non possono sopportare un grande evento ESD o sbalzi di tensione devono essere quindi tenuti lontani da potenziali fonti di tensione. La schermatura con messa a terra attorno ai componenti sensibili alle scariche elettrostatiche fornisce una protezione aggiuntiva.
  • Sfrutta al meglio il tuo involucro: se stai utilizzando un involucro metallico con messa a terra, puoi sfruttarne le proprietà. La creazione di una connessione a bassa impedenza tra un'area sensibile alle scariche elettrostatiche del progetto (come un connettore) e l'involucro fornisce una protezione aggiuntiva dalle scariche elettrostatiche.

Per quanto riguarda l'ultimo punto, è difficile bilanciare la necessità di prevenire il rumore di modo comune con la necessità di protezione dalle scariche elettrostatiche. Non tutti i progetti richiedono la protezione dalle ESD sotto forma di connessione all'involucro; è quindi necessario tenere in considerazione l'ambiente in cui verrà implementato il progetto e l'entità delle scariche elettrostatiche che potrebbero essere indotte nel componente.

È particolarmente importante garantire protezione dalle scariche elettrostatiche negli assiemi elettronici che presentano un'interfaccia esterna comunicante con l'ambiente circostante. Sebbene alcuni circuiti integrati includano già la protezione dalle ESD sul die, si consiglia comunque di posizionare strategicamente i circuiti di protezione se l'ambiente operativo del dispositivo presenta elevati rischi di ESD. Questo potrebbe essere fondamentale per ricevere le certificazione FCC o CE necessarie per vendere il prodotto sul mercato.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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