Czy kondensator powinien być używany do ochrony przed ESD?

Ostatnio widziałem post na LinkedInie na temat używania kondensatorów do ochrony ESD dla linii wychodzących z konektora na PCB. Nie byłem tego świadomy, ale najwyraźniej istnieje dość popularny pogląd, że kondensatory można umieszczać na liniach zasilania i sygnałowych jako formę ochrony ESD. Czy jest to odpowiednie wytyczne?

Moim zdaniem, oraz zdaniem innych bardzo doświadczonych projektantów, kondensatory nie są uniwersalnie odpowiednie jako jedyna forma ochrony ESD we wszystkich obwodach wychodzących z konektora. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku sygnałów o wysokiej prędkości. Proste spojrzenie na zdolności ładowania/rozładowywania kondensatorów, ich możliwości filtracji oraz typowe wartości napięciowe kondensatorów, ujawnia, dlaczego tej wytycznej nie należy ślepo podążać.

Kondensatory do ochrony ESD?

Wytyczna, o której tutaj mówię, zaleca używanie kondensatora o pojemności od 1 pF do 1 nF do ochrony ESD na następujących:

• Wszystkich liniach sygnałowych wychodzących z konektora
• Wszystkich liniach zasilających wychodzących z konektora

Jeśli tylko pomyślisz o tym z idei odprowadzania szybkich napięć do ziemi, to pomysł użycia bardzo małego kondensatora do zapewnienia ochrony ESD ma sens; kondensator działa w zasadzie jak filtr.

Jednak gdy przyjrzysz się specyfikacjom rzeczywistych kondensatorów, zobaczysz, że istnieją dobre powody, by nie używać kondensatorów jako jedynej formy ochrony ESD w twoim systemie.

Szybkie Transjenty i Wysokie Napięcia

Oceny Napięcia i Rozmiar Obudowy

Pierwszym miejscem, od którego warto zacząć, rozważając komponent jako potencjalne rozwiązanie na ESD, jest ocena napięcia.

Sieci zasilające: W tym przypadku możemy próbować użyć kondensatorów wysokonapięciowych do ochrony. Jak widać w danych, ocena napięcia i pojemność są powiązane przez rozmiar obudowy.

Jeśli pracujesz w systemie wysokonapięciowym, gdzie możesz spodziewać się wystąpienia ESD, dostępne są kondensatory wysokonapięciowe, które można użyć. W typowym przypadku ESD, można by było rozładować wystarczającą ilość ładunku przez kondensator ochronny, ale może to wymagać dużej obudowy SMD, w zależności od docelowego ocenianego napięcia.

Poniższy obrazek przedstawia dane od AVX kondensatory ceramiczne wysokonapięciowe; te kondensatory są typem, którego zwykle użyłbyś, gdybyś potrzebował niskiej pojemności i wysokiego napięcia w rozmiarze obudowy wystarczająco małym, aby połączyć się ze ścieżkami od złącza.

Wartości w tej tabeli są typowe dla komponentów innych dostawców i powinny jasno wskazywać, że znalezienie odpowiedniego kondensatora do ochrony ESD może być trudne. W przypadku tej części, ochrona przed bardzo wysokimi napięciami wymaga użycia dużego rozmiaru obudowy 3640, co zajmuje dużo miejsca. Jeśli na przykład mamy 40-pinowy złącze I/O i chcielibyśmy mieć kondensator na każdej linii sygnałowej, wolelibyśmy coś w rozmiarze obudowy 0402, a nie duży rozmiar 3640. Można by dopasować obudowy 3640 na przewodach wychodzących z złącza zasilającego przy wyższych napięciach, ale nigdy nie udałoby się zamontować dużej liczby kondensatorów 3640 na liniach sygnałowych wychodzących z złącza.

Sieci sygnałowe: Dla sieci sygnałowych napięcie nominalne kondensatora powinno być bliższe poziomowi logiki z pewnym zastosowaniem deratingu. Innymi słowy, napięcie nominalne musi przekraczać najwyższe oczekiwane napięcie stałe na linii, podczas gdy rozmiar kondensatora musi być dość duży. W takich przypadkach można znaleźć kondensatory o pojemności ~100 nF w obudowach 0402 z napięciem nominalnym odpowiednim dla poziomów logiki. Jednak tak duże kondensatory nie są pożądane ze względu na ich zdolność do filtrowania szybkich sygnałów (patrz poniżej). Ponownie, najlepiej może być unikać kondensatorów jako jedyną formę ochrony ESD na liniach sygnałowych i zamiast tego polegać na innej metodzie.

Czas reakcji i indukcyjność szeregowa (ESL)

Kolejnym powodem, dla którego wolimy diody TVS od kondensatorów, jest czas reakcji i dwukierunkowość diod TVS. Czas reakcji kondensatora ma znaczenie w przypadku zdarzenia ESD, ponieważ jeśli chciałoby się odprowadzić tę moc do ziemi, kondensator musi naładować się/rozładować szybciej niż trwa zdarzenie ESD, aby zapewnić działanie filtrujące.

Niektóre dwukierunkowe diody TVS mogą reagować w rzędzie pikosekund, gdy zostaną poddane szybkiemu napięciu przejściowemu. Osiągnięcie tego samego poziomu z dostępnymi na rynku kondensatorami wymagałoby pojemności na poziomie pF i bardzo niskiej ESL. Takie kondensatory istnieją, ale ich oceny napięciowe zazwyczaj są na poziomach logiki, a nie na poziomach kV, co wynika z ich małego rozmiaru obudowy (0402 lub 0201). Typowe rozmiary obudów mają wyższą ESL, więc nie są pożądane.

Przedstawiony tutaj równoważny obwód kondensatora uwzględnia pobudzenie rezonansów przez szybkie przejście, w tym zdarzenie ESD.

Z powodu problemu z oceną napięcia, a także z powodu indukcyjności typowych kondensatorów wysokonapięciowych wymagających dużych rozmiarów obudów, najlepiej unikać kondensatorów jako formy ochrony przed ESD, szczególnie na liniach sygnałowych. Ponownie, diody TVS są lepszą opcją, ponieważ mogą zapewnić wystarczająco szybkie czasy reakcji, aby poradzić sobie z zdarzeniami ESD o wysokim napięciu, i istnieją diody TVS zaprojektowane dla konkretnych typów sygnałów.

Twoje Sygnały Również Są Filtrowane

Czyż nie byłoby wspaniale, gdyby tego rodzaju kondensatory na liniach sygnałowych filtrowały tylko ESD, a nie twoje sygnały? Idealnym komponentem ochrony przed ESD, który może to faktycznie zrobić, jest dioda TVS.

Umieszczenie kondensatora jako elementu równoległego do masy na liniach sygnałowych cyfrowych w zasadzie filtruje sygnał i ogranicza dostępną przepustowość kanału. Jest to niekorzystne dla projektowania wysokich prędkości, gdzie idealnie chcielibyśmy nie mieć ograniczeń przepustowości. Ironią jest, że filtracja sygnału będzie bardziej intensywna niż filtracja ESD, ponieważ typowe impulsy ESD nie są tak szybkie jak większość sygnałów wysokiej prędkości. To kolejny powód, by nie używać kondensatorów i trzymać się diod TVS, jeśli w systemie występuje wymóg wytrzymałości na ESD.

Wolne transjenty i linie zasilające

Przez "wolny" transjent rozumiemy tutaj każdy transjent, którego czas przejścia jest znacznie mniejszy niż czas reakcji kondensatora. W tym przypadku zwykle widzimy kondensatory o wartościach mikrofaradów. Na podstawie założenia, że transjent jest wolny i zachowuje się zasada zachowania ładunku, można przedstawić argument ilustrujący, jak kondensatory zapewniają ochronę ESD:

1. Załóżmy, że mamy impuls ESD V, który dostarcza pewien całkowity prąd I
2. . Z I oraz całkowitego czasu impulsu możemy obliczyć całkowity ładunek dostarczony podczas impulsu ESD Q
3. Q oraz V definiują równoważną pojemność C, która dostarcza impuls ESD
4. . Jeśli C jest modelowany jako będący równolegle z naszym kondensatorem ESD C*, wtedy Q rozłoży się na C i C* razem
5. . To obniża całkowite napięcie widoczne na wejściach chronionego obwodu

Model równoważnego obwodu użyty w tej argumentacji jest pokazany poniżej.

Jeśli obliczymy nowe napięcie, które byłoby obserwowane po rozłożeniu istniejącego ładunku na kondensator ochronny (C*) oraz źródło ESD (C), spodziewalibyśmy się następującego napięcia:

Dlatego wymagana pojemność wynosi:

W tym modelu redystrybucji ładunku, obniżenie napięcia ESD z 5 kV do 3,3 V w celu ochrony linii logicznej wymaga kondensatora o pojemności C* = 500 nF, zakładając, że źródło ESD ma równoważną pojemność C = 330 pF. Jeśli zastosujemy derating na poziomie 50%, wymagany będzie kondensator o pojemności 1 uF w tym przypadku. Należy zauważyć, że w rzeczywistych sytuacjach źródło ESD może bardziej przypominać model ciała ludzkiego, który obejmuje większą rezystancję szeregową źródła i mniejszą pojemność źródła.

Czy to dobre, czy złe? Dla linii zasilających można uzasadnić, że jest to odpowiednie, ale nie chroni to we wszystkich sytuacjach do wysokich napięć wytrzymałościowych. Twoje standardowe kondensatory masowe będą lepiej chronić obwód w porównaniu z małymi SMD. W większości przypadków i tak będą potrzebne dodatkowe mechanizmy ochrony obwodu.

Jeśli spróbujesz to zastosować na liniach sygnałowych, możesz odkryć, że wymagany rozmiar obudowy jest bardzo duży. Te kondensatory będą również poważnie filtrować sygnały i tworzyć nadmierne ograniczenie pasma. Jednakże, jeśli wejściowy/wyjściowy pin na komponencie odbierającym może tolerować mikrosekundowe czasy przejścia na linii konfiguracyjnej (takiej jak pin ENABLE na ASIC, lub możliwe I2C), to takie użycie kondensatora może być uzasadnione, ale nie zapewni kompleksowej ochrony linii sygnałowej. Ponownie, po prostu użyj diod TVS, jeśli istnieje wymóg wytrzymałości.

Gdzie kondensatory mogą pomóc: Małe przepięcia i zdarzenia przełączania

Choć kondensatory nie są najlepszą opcją dla zdarzeń ESD, nie oznacza to, że nie są przydatne dla pewnych form ochrony obwodu. Małe przepięcia i filtrowanie przejściowych napięć z zdarzeń przełączania to dwa przypadki, w których kondensator będzie miał wartość, ponieważ mogą one nadal reagować szybciej niż typowe niskonapięciowe przepięcia i przejściowe napięcia.

Przepięcia mogą wahać się od małych wartości do tysięcy woltów. Dla linii podłączonych do zasilania sieciowego lub nieuregulowanego źródła, typowe jest stosowanie trójstopniowego podejścia do zapewnienia, że prostowane zasilanie jest stabilne i przepięcia są tłumione przed dystrybucją tego zasilania do urządzeń znajdujących się dalej: Obejmowałoby to następujące komponenty:

• Rurka gazowa - Wolna reakcja na ochronę przed wysokim napięciem
• Dioda TVS - Bardzo szybka reakcja na impulsy wysokiego napięcia/niskiego prądu
• Warystor - Ten komponent zmienia swoją rezystancję w odpowiedzi na przyłożone napięcie

Możesz również zobaczyć przekaźnik pomiaru napięcia i bezpieczniki w tych systemach. Oba mogą być używane z innymi elementami obwodu do zapewnienia ochrony przed przepięciami i ochrony przed przeciążeniem przez otwarcie i późniejsze resetowanie chronionego obwodu

Zobaczysz te komponenty używane w ochronnikach przepięciowych w Twoim domu; ta sama strategia może być użyta w PCB, które musi otrzymywać zasilanie sieciowe lub nieuregulowane. Będzie również przełącznik resetujący, który zamyka obwód po zdarzeniu z przepięciem, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Kondensatory wyjściowe na tych liniach (podłączone do prostownika mostkowego) pełnią podwójną funkcję stabilizacji napięcia wyprostowanego oraz redukcji amplitudy wolnych przepięć. Zazwyczaj są to większe kondensatory, więc mogą mieć duże obudowy i wysokie wartości napięcia wytrzymałego, ale kosztem wolniejszego czasu reakcji ze względu na ich ESL. W związku z tym, mogą one odprowadzać część mocy z wolniejszych przepięć, zanim twoja rurka gazowa rozładuje się lub twoja dioda TVS zacznie przewodzić. W przeciwieństwie do tego, większość ochrony wymaganej w sytuacjach z wysokim napięciem wytrzymałym przy szybszych przejściach nie jest zapewniana przez te kondensatory, a zamiast tego jest zapewniana przez listę komponentów wymienionych powyżej.

Aby dowiedzieć się więcej o ochronie ESD, przeczytaj te zasoby:

• Co to jest ESD i jak wpływa na projekt mojej PCB?
• Przewodnik dla początkujących po projektowaniu obwodów ochrony ESD dla PCB
• Wykorzystanie technik uziemienia ESD do ochrony Twojej PCB przed uszkodzeniami elektrycznymi

Podsumowując, kondensatory są pomocne w ograniczonych sytuacjach, gdy przesilenia są wolniejsze i nie wytwarzają nadmiernie wysokich napięć/prądów. Takie przypadki mają miejsce w przypadku przekroczenia lub szpilki podczas przełączania, które są zasadniczo małymi przepięciami w systemach zasilania. Większe przesilenia wymagają większych kondensatorów, co oznacza, że byłaby to lepsza strategia dla mocy, ale niekoniecznie dla sygnałów. Dla innych form ESD, inne komponenty będą znacznie lepiej chronić przed ESD w sposób kompleksowy.

Zawsze, gdy chcesz zbudować stabilne i niezawodne systemy zasilania, używaj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym wprowadzić współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.