Si dovrebbe usare un condensatore per la protezione ESD?

Ho recentemente visto un post su LinkedIn riguardo all'uso dei condensatori per la protezione ESD per le linee che arrivano da un connettore su una PCB. Non ne ero a conoscenza, ma apparentemente esiste una visione piuttosto diffusa secondo cui i condensatori possono essere posizionati sulle linee di alimentazione e sulle linee di segnale come forma di protezione ESD. È questa una linea guida appropriata?

La mia opinione, e quella di altri progettisti molto esperti, è che i condensatori non sono universalmente appropriati come unica forma di protezione ESD su ogni circuito che esce da un connettore. Questo è particolarmente vero per i segnali ad alta velocità. Uno sguardo semplice alle capacità di carica/scarica dei condensatori, alle loro capacità di filtraggio e alle tipiche tensioni nominali dei condensatori, rivela perché questa linea guida non dovrebbe essere seguita ciecamente.

Condensatori per la Protezione ESD?

La linea guida a cui mi riferisco qui raccomanda l'uso di un condensatore da 1 pF a 1 nF per la protezione ESD sui seguenti:

• Tutte le linee di segnale che escono da un connettore
• Tutte le linee di alimentazione che escono da un connettore

Se ci si pensa semplicemente dall'idea di deviare velocemente le tensioni a terra, allora l'idea di usare un condensatore molto piccolo per fornire protezione ESD ha senso; il condensatore agisce essenzialmente come un filtro.

Tuttavia, una volta che si guardano le specifiche dei veri condensatori, si vedrà che ci sono buone ragioni per non usare i condensatori come unica forma di protezione ESD nel proprio sistema.

Transitori Veloci e Alte Tensioni

Valutazioni di Tensione e Dimensioni del Case

Il primo punto da cui partire quando si guarda a un componente come possibile soluzione all'ESD è la valutazione della tensione.

Rete elettriche: In questo caso, potremmo tentare di usare condensatori ad alta tensione per la protezione. Come si può vedere dai dati, la valutazione della tensione e la capacità sono correlate attraverso le dimensioni del case.

Se stai lavorando in un sistema ad alta tensione dove potresti aspettarti ESD, ci sono condensatori ad alta tensione disponibili che possono essere usati. Nel caso tipico di ESD, potresti scaricare abbastanza carica attraverso il condensatore di protezione, ma potrebbe richiedere un grande case SMD, a seconda della tua valutazione di tensione target.

L'immagine qui sotto mostra i dati da AVX condensatori ceramici ad alta tensione; questi condensatori sono il tipo che tipicamente useresti se avessi bisogno di bassa capacità e alta tensione in un case abbastanza piccolo da collegare alle tracce da un connettore.

I valori in questa tabella sono tipici di componenti di altri fornitori e dovrebbero chiarire che potrebbe essere difficile trovare un condensatore adatto per la protezione ESD. Per questa parte, la protezione fino a tensioni molto alte richiede un grande formato di custodia 3640, che occupa molto spazio. Se, ad esempio, avessimo un connettore I/O a 40 pin e volessimo avere un condensatore su ogni linea di segnale, preferiremmo qualcosa come il formato di custodia 0402, non un grande formato di custodia 3640. Potresti adattare formati di custodia 3640 sui conduttori provenienti da un connettore di alimentazione a tensioni più alte, ma non saresti mai in grado di adattare un gran numero di condensatori 3640 sulle linee di segnale provenienti da un connettore.

Reti di segnale: Per le reti di segnale, la valutazione della tensione del tuo condensatore dovrà essere più vicina al livello logico con una certa derating applicata. In altre parole, la valutazione della tensione deve superare la tensione DC massima prevista sulla linea, mentre la dimensione del condensatore deve essere piuttosto grande. In questi casi, puoi trovare condensatori da ~100 nF in case da 0402 con valutazioni di tensione a livello logico. Tuttavia, tali condensatori di grandi dimensioni non sono desiderabili a causa della loro capacità di filtrare segnali veloci (vedi sotto). Ancora una volta, potresti essere meglio consigliato ad evitare i condensatori come unica forma di protezione ESD sulle linee di segnale e invece fare affidamento su un altro metodo.

Tempo di Risposta e Induttanza in Serie (ESL)

Il motivo successivo per cui preferiremmo i diodi TVS ai condensatori è il tempo di risposta e la bidirezionalità dei diodi TVS. Il tempo di risposta di un condensatore sarebbe importante in un evento ESD perché, se volessi deviare quella potenza a terra, il condensatore deve caricarsi/scaricarsi più velocemente dell'evento ESD per fornire un'azione di filtraggio.

Alcuni diodi TVS bidirezionali possono rispondere nell'ordine dei picosecondi quando sottoposti a una tensione transitoria veloce. Raggiungere lo stesso livello con i condensatori disponibili sul mercato richiederebbe livelli di capacità in pF e un ESL molto basso. Questi condensatori esistono, ma il loro rating di tensione tende ad essere a livelli logici, non a livelli di kV, a causa delle loro piccole dimensioni (0402 o 0201). Le dimensioni tipiche dei case hanno un ESL più alto, quindi non sono desiderabili.

Il circuito equivalente del condensatore mostrato qui tiene conto dell'eccitazione delle risonanze da un transitorio veloce, inclusi gli eventi ESD.

A causa del problema del rating di tensione, e a causa dell'induttanza dei condensatori ad alta tensione che richiedono grandi dimensioni di case, è meglio evitare i condensatori come forma di protezione ESD, specialmente sulle linee di segnale. Ancora una volta, i diodi TVS sono un'opzione migliore poiché possono fornire tempi di risposta sufficientemente rapidi per gestire eventi ESD ad alta tensione, e ci sono diodi TVS progettati per tipi di segnale specifici.

Anche i Tuoi Segnali Vengono Filtrati

Non sarebbe fantastico se questi tipi di condensatori sulle linee di segnale filtrassero solo l'ESD e non i tuoi segnali? Il componente ideale di protezione ESD che può effettivamente fare ciò è un diodo TVS.

Il posizionamento di un condensatore come elemento shunt a terra su linee di segnale digitale filtra essenzialmente il tuo segnale e limita la larghezza di banda disponibile. Questo è tutto negativo per il design ad alta velocità, dove idealmente vorremmo non avere limitazioni di larghezza di banda. L'ironia è che la filtrazione del segnale sarà più severa della filtrazione ESD perché gli impulsi ESD tipici non sono veloci quanto la maggior parte dei segnali ad alta velocità. Questa è un'altra ragione per non usare condensatori e attenersi semplicemente ai diodi TVS se nel tuo sistema è presente un requisito di resistenza ESD.

Transitori Lenti e Linee di Alimentazione

Un transitorio "lento" qui si riferisce a qualsiasi transitorio con tempo di transizione molto più piccolo rispetto al tempo di risposta del condensatore. In questo caso, vedrai tipicamente condensatori da microfarad. Basandosi sull'assunzione che un transitorio sia lento e sulla conservazione della carica, si può elaborare un argomento che illustra come i condensatori forniscono protezione ESD:

1. Supponiamo di avere un impulso ESD V che fornisce una corrente totale I
2. Dalla I e dal tempo totale dell'impulso, possiamo calcolare la carica totale erogata durante l'impulso ESD Q
3. Q e V definiscono una capacità equivalente C che fornisce l'impulso ESD
4. Se C è modellato come se fosse in parallelo con il nostro condensatore ESD C*, allora Q si distribuirà sia su C che su C* insieme
5. Questo abbassa la tensione totale vista agli ingressi del circuito protetto

Il modello di circuito equivalente utilizzato in questo argomento è mostrato di seguito.

Se calcoliamo semplicemente la nuova tensione che sarebbe osservata dopo che la carica esistente si è distribuita tra il condensatore di protezione (C*) e la fonte ESD (C), ci aspetteremmo la seguente tensione:

Quindi la capacità richiesta è:

In questo modello di ridistribuzione della carica, per ridurre una tensione ESD di 5 kV a 3,3 V al fine di proteggere una linea logica è necessario un condensatore da C* = 500 nF, assumendo che la sorgente ESD abbia una capacità equivalente di C = 330 pF. Se applichiamo una derating del 50%, abbiamo bisogno di un condensatore da 1 uF in questo caso. Da notare che, in situazioni reali, la sorgente ESD può assomigliare più da vicino al modello del corpo umano, che include una maggiore resistenza in serie sulla sorgente e una minore capacità della sorgente.

È questo positivo o negativo? Per le linee di alimentazione, si può giustificare che ciò è appropriato, ma non protegge in tutte le situazioni fino ad alte tensioni di tenuta. I vostri condensatori di massa standard faranno un lavoro migliore nel proteggere il circuito rispetto ai piccoli SMD. Nella maggior parte dei casi, comunque, saranno necessari ulteriori meccanismi di protezione del circuito.

Se provi questo su linee di segnale, potresti scoprire che la dimensione del case richiesta è molto grande. Questi condensatori filtreranno anche severamente i segnali e creeranno un'eccessiva limitazione della larghezza di banda. Tuttavia, se il pin I/O sul componente ricevente può tollerare tempi di transizione nell'ordine dei microsecondi su una linea di configurazione (come un pin ENABLE su un ASIC, o possibilmente I2C), allora l'uso di un condensatore potrebbe essere giustificabile ma non fornirà una protezione completa di una linea di segnale. Ancora una volta, usa solo diodi TVS se c'è un requisito di resistenza.

Dove i Condensatori Potrebbero Aiutare: Picchi di Potenza Minori e Eventi di Commutazione

Solo perché i condensatori non sono la migliore opzione per gli eventi ESD, non significa che non siano utili per certe forme di protezione del circuito. Picchi di potenza minori e il filtraggio di tensioni transitorie da eventi di commutazione sono due istanze in cui un condensatore fornirà valore poiché possono ancora rispondere più velocemente rispetto ai tipici picchi di potenza a bassa tensione e tensioni transitorie.

I picchi di potenza possono variare da valori piccoli a migliaia di volt. Per linee collegate alla rete elettrica o a un'alimentazione non regolata, è tipico vedere un approccio a tre punte per assicurare che l'alimentazione rettificata sia stabile e i picchi siano soppressi prima che quella potenza venga distribuita ai dispositivi a valle: Questo coinvolgerebbe i seguenti componenti:

• Tubo a scarica di gas - Risposta lenta per la protezione da alte tensioni
• Diodo TVS - Risposta molto veloce a impulsi di alta tensione/bassa corrente
• Varistore - Questo componente cambia la sua resistenza in risposta a una tensione applicata

Potresti anche vedere un relè di rilevamento della tensione e dei fusibili in questi sistemi. Entrambi possono essere utilizzati con altri elementi del circuito per fornire protezione da sovratensione e sovracorrente aprendo e successivamente resettando un circuito protetto

Vedrai questi componenti utilizzati sui dispositivi di protezione contro le sovratensioni in casa tua; la stessa strategia può essere utilizzata in un PCB che deve ricevere alimentazione dalla rete o alimentazione non regolata. Ci sarà anche un interruttore di reset che chiude il circuito dopo un evento di sovratensione, come mostrato nell'esempio sottostante.

I condensatori di uscita su queste linee (collegati a un raddrizzatore a ponte) svolgono una doppia funzione di stabilizzazione della tensione raddrizzata e riduzione dell'entità delle sovratensioni lente. Tendono ad essere condensatori più grandi, quindi possono avere valori di custodia grandi e alta tensione di tenuta, ma a scapito di un tempo di risposta più lento a causa del loro ESL. Pertanto, essi derivano una parte della potenza dalle sovratensioni lente prima che il tuo tubo a gas scarichi o il tuo diodo TVS inizi a condurre. Al contrario, la maggior parte della protezione richiesta in situazioni di alta tenuta con transitori più veloci non è fornita da questi condensatori ed è invece fornita dall'elenco dei componenti sopra.

Per saperne di più sulla protezione ESD, leggi queste risorse:

• Che cos'è l'ESD e come influisce sul mio progetto di PCB?
• Guida per Principianti alla Progettazione di Circuiti di Protezione ESD per PCB
• Utilizzo delle Tecniche di Messa a Terra ESD per Proteggere il Tuo PCB dai Danni Elettrici

In conclusione, i condensatori sono utili in situazioni limitate, dove i transitori sono più lenti e non producono tensioni/correnti eccessivamente elevate. Questi casi si verificano in occasione di overshoot o picchi durante eventi di commutazione, che sono sostanzialmente piccole sovratensioni nei sistemi di alimentazione. Transitori più grandi richiedono condensatori più grandi, il che significa che questa sarebbe una strategia migliore per l'alimentazione, ma non tanto per i segnali. Per altre forme di ESD, altri componenti faranno un lavoro molto migliore nel fornire una protezione completa contro l'ESD.

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