Przewodnik dla początkujących: Projektowanie obwodów ochrony przed ESD dla PCB

Chcesz tego czy nie, Twoja płyta PCB może napotkać zdarzenia wyładowań elektrostatycznych (ESD) w trakcie swojego życia. Ochrona przed ESD jest szczególnie ważna dla obwodów, które mają interfejs z fizycznym środowiskiem. Taki obwód może mieć złącze do zewnętrznej komunikacji, które nie jest zabezpieczone przed elektrycznością statyczną, lub nie jest chronione elektrostatycznie, co może prowadzić do awarii komponentów podczas zdarzenia ESD.

Zazwyczaj, ładunek elektryczny gromadzi się podczas działania urządzenia, co ostatecznie powoduje duże zdarzenie ESD. Poprzez strategiczne umieszczenie obwodu ochrony ESD w swoim projekcie, możesz zapobiec awarii wrażliwego obwodu. Projektowanie obwodu ochrony ESD odbywa się na schemacie, gdy tworzysz obwody, a później przeniesiesz to do układu PCB. W tym artykule przyjrzymy się niektórym głównym obwodom ochrony ESD i jak możesz je włączyć do swojego następnego projektu.

Projektowanie obwodu ochrony ESD w Twoich schematach

Celem projektowania obwodów ochrony przed ESD jest określenie, gdzie ESD może wpłynąć na ważne komponenty, a następnie dodanie pewnych środków tłumiących lub obwodów odprowadzających, aby zapewnić, że napięcie ESD nigdy nie przekroczy określonego limitu. Najprostszą i najczęściej stosowaną metodą w tym celu jest użycie diod spolaryzowanych zaporowo jako elementów odprowadzających w kierunku sieci uziemienia; może to być płaszczyzna uziemienia na PCB, chociaż może to być również obudowa w systemie uziemionym.

Cztery powszechne metody tłumienia lub wytrzymywania szybkich zdarzeń ESD, wolnych przepięć mocy i transientów z przełączania obejmują:

1. Dioda TVS (Transient Voltage Suppressor)
2. Dioda Zenera spolaryzowana zaporowo do stabilizacji transientów
3. Warystory
4. Bezpieczniki (lub bezpieczniki resetowalne)
5. Przekaźniki czułe na napięcie
6. Rurki gazowe
7. Obwody typu crowbar
8. Obwody oparte na MOSFET

Wszystkie te opcje mają na celu adresowanie wielu źródeł transientów napięciowych, począwszy od ESD, przez wyładowania atmosferyczne, po duże transiety z przełączania. Poniżej przedstawiono tabelę z listą źródeł transientów napięciowych i zakresami czasu narastania.

W tej tabeli widzimy, że impulsy ESD są bardzo szybkie, więc komponenty ochrony ESD również wymagają elementu, który może bardzo szybko reagować na zdarzenia przejściowe. Tylko warystory i diody TVS mogą zapewnić wystarczająco szybki czas reakcji, aby poradzić sobie z zdarzeniami ESD, dlatego są one najczęściej używane, gdy ESD jest problemem. Spośród nich diody TVS są najszybsze i są uznawane za komponenty ochrony ESD ogólnego zastosowania. Ponieważ są tak szybkie, nadają się również do radzenia sobie z wolniejszymi zdarzeniami, takimi jak przepięcia, przełączanie i pioruny, jak wymieniono powyżej.

Diody TVS i obwody diodowe

Obwody ochronne z diodami TVS są jednymi z najczęściej stosowanych w nieprzemysłowych, niskonapięciowych ustawieniach. W porównaniu do innych komponentów ochrony ESD, które są wbudowane w układy zarządzania zasilaniem lub mikrokontrolery, ochraniacze diodowe TVS mogą zapewnić wyższą supresję napięcia i mogą być umieszczone blisko I/O lub dowolnego źródła ESD, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Typowy obwód diody zaciskającej napięcie pokazano poniżej. Głównym zadaniem tego obwodu zaciskającego jest ograniczenie akumulacji napięć na wejściowym zacisku bufora. Należy zauważyć, że może to być również zastosowane do różnicowego wejścia na wzmacniaczu operacyjnym. Działanie tego obwodu jest bardzo proste i, w normalnych warunkach, diody D1 i D2 są spolaryzowane wstecznie. Kiedykolwiek napięcie na wejściu jest większe niż napięcie szyny zasilającej, wtedy dioda D1 jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia i przewodzi. Podobnie, gdy napięcie na wejściu spada poniżej ziemi, wtedy dioda D2 jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia i przewodzi od ziemi w kierunku wejścia.

Powyższy obwód może używać prostych diod z wysokim napięciem przebicia wstecznego (np. dioda Zenera) lub diod TVS, które są połączone równolegle lub w konfiguracji przeciwsobnej. Główne czynniki używane do określenia, które diody są używane, to napięcie przebicia i prąd przewodzenia.

Dioda TVS są klasyfikowane na dwa typy; oba typy diod TVS działają jako otwarte w normalnych warunkach pracy i jako obwody zamknięte do ziemi, gdy wystąpi impuls ESD.

Jednokierunkowe diody TVS

Poniżej przedstawiono jednokierunkową diodę TVS do ochrony przed ESD. Należy zauważyć, że dioda TVS nie musi być niczym więcej niż prostą diodą Zenera, lub może być komponentem specjalnie oznaczonym jako dioda TVS (np. seria Transzorb od Vishay, pokazana poniżej), jak pokazano na schemacie poniżej.

Podczas dodatniego cyklu zdarzenia ESD, ta dioda staje się spolaryzowana wstecznie i działa w trybie lawinowym, co skutkuje przepływem prądu ESD od wejścia do ziemi. Podczas cyklu ujemnego, ta dioda TVS staje się spolaryzowana w kierunku przewodzenia i przewodzi prąd ESD. W ten sposób jednokierunkowa dioda TVS chroni obwód przed ESD: albo zapobiegając, albo umożliwiając przepływ prądu ESD, w zależności od jego polarności.

Dwukierunkowe diody TVS

Poniższy schemat pokazuje typowe zastosowanie dwukierunkowych diod TVS do ochrony komponentów wrażliwych na ESD. Należy zauważyć, że jest to po prostu proste połączenie tyłem do tyłu diod Zenera. Dodatkowy rezystor może być dodany, jeśli potrzebne jest dodatkowe ograniczenie prądu.

Podczas dodatniego cyklu zdarzenia ESD o charakterze przemijającym, jedna z dwóch diod jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a druga w kierunku zaporowym, co oznacza, że jedna dioda przewodzi dzięki swojej polaryzacji w kierunku przewodzenia, podczas gdy druga działa w trybie lawinowym. W ten sposób obie diody tworzą ścieżkę prowadzącą do ziemi od źródła ESD. Podczas ujemnego cyklu ESD, diody zamieniają swoje tryby, ponownie tworząc ścieżkę, a obwód pozostaje chroniony. Ten obwód jest preferowany w przypadku, gdy nie wiadomo dokładnie, jaka może być możliwa polaryzacja zdarzenia ESD, jak widziano z systemu I/O.

Inne komponenty tłumiące ESD

Istnieją również inne komponenty tłumiące ESD i komponenty tłumiące napięcie przemienne, takie jak warystory wielowarstwowe, rurki gazowe oraz tłumiki oparte na polimerach. Komponenty tłumiące ESD są używane do redukcji napięć ESD poniżej pewnego limitu, tak aby obwód lub grupa komponentów była chroniona. Komponent lub obwód tłumiący jest podłączony równolegle do linii podatnej na uszkodzenia, co utrzymuje niskie napięcie ESD do pewnego limitu i odprowadza główny prąd ESD do ziemi. Te komponenty często mają związany z nimi obwód aplikacyjny, który znajdziesz w karcie katalogowej, a te przykładowe obwody mogą zawierać diodę TVS, aby zapewnić dodatkowe tłumienie niskiego napięcia ESD.

Przykład: Rurka gazowa + Dioda TVS

Jedną ze strategii radzenia sobie z wysokonapięciowymi zdarzeniami przejściowymi jest użycie rurki wyładowczej gazowej równolegle z diodą TVS, induktorem szeregowym oraz bezpiecznikiem. Ta strategia chroni przed szybkimi zdarzeniami ESD, wolnymi przepięciami, przełączaniem oraz nawet piorunami. Dodatkowy bezpiecznik jest obecny dla ochrony przed przeciążeniem. Rurki wyładowcze gazowe są przeznaczone do radzenia sobie z dużymi napięciami przejściowymi, które mogą nie pochodzić z zdarzeń ESD, lecz z wolniejszych źródeł takich jak przepięcia, pioruny i przełączanie. Poniżej pokazano obraz rurki wyładowczej gazowej.

Induktor i dioda TVS działają jak niskoprzepustowy obwód RL, który zapewnia dodatkowe filtrowanie i spowalnia czas narastania impulsu ESD, zanim dotrze on do chronionego obwodu. Gdy dioda TVS staje się przewodząca, obwód odprowadza prąd dostarczany przez impuls ESD, tak aby nie wpłynął on na chroniony obwód. GDT oferuje dodatkową ochronę, jeśli istnieje również ryzyko przepięć, na przykład z nieuregulowanego zasilania lub z sieci AC.

Ochrona ESD w układzie PCB

Nawet jeśli dodasz obwody ochrony ESD do swojego projektu podczas przechwytywania schematów, nadal ważne jest, aby użyć kilku inteligentnych wyborów układu, aby zapewnić ochronę ESD dla wrażliwych obwodów w układzie PCB. Całym celem tłumienia ESD jest uczynienie obwodu bardziej niezawodnym, jednocześnie redukując koszty debugowania i rozwiązywania problemów później.

• Użyj płaszczyzny masy w stosie PCB: Użycie płaszczyzny masy wewnątrz PCB zapewnia duży uziemiony przewodnik, który może przyjąć wszelkie prądy indukowane przez zdarzenie ESD. Zapewnia to wiele innych korzyści, takich jak eliminacja pętli masy, definiowanie jasnej impedancji oraz zapewnienie ochrony przed EMI.
• Zredukuj długość długich tras: Jeśli trasy są oddzielone od masy i są zbyt długie, mogą mieć wysoką indukcyjność. Mogą łatwo odbierać EMI, mogą doświadczyć przejściowej oscylacji, gdy przez ścieżkę propaguje się wysokie napięcie. Ta oscylacja może spowodować, że dioda TVS lub inny tłumiący nie będzie działać.
• Nie prowadź wrażliwych ścieżek lub komponentów w pobliżu sieci wysokiego napięcia: To dość prosta zasada, że prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia ESD jest większe, gdy komponent jest umieszczony bliżej sieci lub komponentu wysokiego napięcia. Jeśli masz komponenty, które nie przetrwają dużego zdarzenia ESD lub przepięcia, komponent taki powinien być trzymany z dala od takich źródeł napięcia. Pewne uziemione osłony wokół komponentów wrażliwych na ESD zapewnią dodatkową ochronę.
• Wykorzystaj swoją obudowę: Jeśli używasz uziemionej metalowej obudowy, możesz wykorzystać fakt, że działa ona jak uziemienie bezpieczeństwa. Zapewnienie niskiej impedancji połączenia z obszaru wrażliwego na ESD projektu (jak złącze) z powrotem do obudowy to jeden ze sposobów na zapewnienie dodatkowej ochrony przed ESD.

Odnośnie do ostatniego punktu powyżej, trudno jest zrównoważyć potrzebę zapobiegania szumom wspólnego trybu z potrzebą ochrony przed ESD. Nie wszystkie projekty będą wymagały ochrony ESD w formie połączenia z obudową; musisz rozważyć środowisko, w którym projekt będzie wdrożony i wielkość ESD, która może być indukowana w komponencie.

Zapewnienie, że montaż elektroniczny jest chroniony przed ESD (elektrostatycznym wyładowaniem) jest bardzo ważne dla układów mających zewnętrzne interfejsy do komunikacji ze światem zewnętrznym. Chociaż niektóre układy scalone mogą zawierać ochronę ESD na chipie, nadal zaleca się strategiczne umieszczanie obwodów ochrony ESD, jeśli środowisko operacyjne urządzenia stwarza niebezpieczeństwo silnych wyładowań ESD. Może to być wymagane, aby Twoje urządzenie otrzymało certyfikaty FCC lub CE, co pozwoli Ci sprzedawać produkt na otwartym rynku.

Tworzenie komponentów PCB, pozyskiwanie, zarządzanie nimi oraz projektowanie obwodów ochrony ESD jest znacznie łatwiejsze z kompletnym zestawem funkcji projektowych w CircuitMaker. Każdy użytkownik CircuitMaker ma dostęp do dedykowanego obszaru roboczego na platformie chmurowej Altium 365, gdzie można przechowywać i udostępniać współpracownikom projekty, dane komponentów, dane produkcyjne i wszelką inną dokumentację projektową.

Zacznij używać CircuitMaker już dziś.