Guia do Iniciante para o Design de Circuitos de Proteção ESD para PCBs

Quer você queira ou não, sua PCB pode encontrar eventos de descarga eletrostática (ESD) durante sua vida útil. A proteção contra ESD é mais importante para circuitos que são destinados a interagir com o ambiente físico. Tal circuito pode ter um conector para comunicação externa que não está protegido contra eletricidade estática, ou não está protegido eletrostaticamente, o que poderia levar a falhas de componentes durante um evento de ESD.

Normalmente, a carga elétrica estática se acumula durante a operação de um dispositivo, e isso, em última análise, causa um grande evento de ESD. Ao colocar estrategicamente um circuito de proteção contra ESD em seu projeto, você pode prevenir a falha de um circuito sensível. O design do circuito de proteção contra ESD acontece no esquemático enquanto você está criando circuitos, e você transferirá isso mais tarde para o layout da sua PCB. Neste artigo, vamos olhar para alguns dos principais circuitos de proteção contra ESD e como você pode incluí-los em seu próximo projeto.

Design de Circuito de Proteção contra ESD em Seus Esquemáticos

O objetivo no design de circuitos de proteção contra ESD é determinar onde o ESD afetará componentes importantes, seguido pela adição de algumas medidas de supressão ou circuitos de desvio para garantir que a tensão do ESD nunca ultrapasse um certo limite. O método mais simples e amplamente utilizado para esse propósito é o uso de diodos polarizados inversamente como elementos de desvio apontando para a rede de terra; isso pode ser um plano de terra na PCB, embora também possa ser a carcaça em um sistema aterrado.

Quatro métodos comuns para supressão ou resistência a eventos rápidos de ESD, surtos de energia lentos e transientes de eventos de comutação incluem:

1. Diodos supressores de tensão transiente (TVS)
2. Diodos Zener com polarização inversa para limitação de transientes
3. Varistores
4. Fusíveis (ou fusíveis rearmáveis)
5. Relés sensíveis a tensão
6. Tubos de descarga a gás
7. Circuitos crowbar
8. Circuitos baseados em MOSFET

Todas essas opções são destinadas a abordar múltiplas fontes de tensões transientes, variando de ESD a raios e grandes transientes de eventos de comutação. Uma tabela com uma lista de fontes de tensão transiente e suas faixas de tempo de subida é mostrada abaixo.

Nesta tabela, vemos que os pulsos de ESD são muito rápidos, portanto, os componentes de proteção contra ESD também requerem um componente que possa responder muito rapidamente a eventos transitórios. Apenas varistores e diodos TVS podem fornecer tempo de resposta suficientemente rápido para lidar com eventos de ESD, portanto, são os mais comumente usados quando ESD é uma preocupação. Entre esses dois, os diodos TVS são os mais rápidos e são vistos como componentes de proteção contra ESD de propósito geral. Por serem tão rápidos, também são apropriados para lidar com eventos mais lentos como surtos, comutação e relâmpagos, conforme listado acima.

Diodos TVS e Circuitos de Diodos

Circuitos de proteção com diodo TVS são alguns dos mais comuns em ambientes não industriais e de baixa tensão. Comparados a outros componentes de proteção contra ESD que são embutidos em ICs de gerenciamento de energia ou microcontroladores, protetores de surto com diodo TVS podem fornecer uma supressão de tensão mais alta e podem ser colocados próximos a I/Os ou qualquer fonte de ESD, como mostrado no exemplo abaixo.

Um circuito típico de diodo de fixação de tensão é mostrado abaixo. A principal responsabilidade deste circuito de fixação de tensão é limitar o acúmulo de tensões no terminal de entrada do buffer. Note que isso também pode ser aplicado à entrada diferencial em um op-amp. A operação deste circuito é muito simples e, em condições normais, os diodos D1 e D2 são polarizados reversamente. Sempre que a tensão na entrada for maior que a tensão da linha de alimentação, então o diodo D1 é polarizado diretamente e conduz. Da mesma forma, quando a tensão na entrada cai abaixo do terra, então o diodo D2 é polarizado diretamente e conduz do terra em direção à entrada.

O circuito acima poderia usar alguns diodos simples com alta tensão de ruptura em polarização reversa (por exemplo, diodo Zener), ou diodos TVS que são combinados em paralelo ou em configuração back-to-back. Os principais fatores usados para determinar qual tipo de diodos são usados são a tensão de ruptura e a corrente direta.

Os diodos TVS são categorizados em dois tipos; ambos os tipos de diodos TVS atuam como abertos em condições normais de operação e como curtos-circuitos para a terra sempre que ocorre um surto de ESD.

Diodos TVS Unidirecionais

Um diodo de surto TVS unidirecional para proteção contra ESD é mostrado abaixo. Note que um diodo TVS não precisa ser nada mais do que um simples diodo Zener, ou pode ser um componente comercializado especificamente como um diodo TVS (por exemplo, a série Transzorb da Vishay, mostrada abaixo), como é mostrado no esquemático abaixo.

Durante o ciclo positivo de um evento de ESD, este diodo torna-se polarizado inversamente e opera no modo de avalanche, resultando em uma corrente de ESD fluindo da entrada para a terra. Durante um ciclo negativo, este diodo TVS torna-se polarizado diretamente e conduz uma corrente de ESD. É assim que um diodo TVS unidirecional protege o circuito contra ESD: impedindo ou permitindo o fluxo de uma corrente de ESD, dependendo de sua polaridade.

Diodos TVS Bidirecionais

O esquemático abaixo mostra o uso típico de diodos TVS bidirecionais para proteger componentes sensíveis a ESD. Note que isso é apenas um simples arranjo de diodos Zener em antiparalelo. Um resistor adicional poderia ser adicionado se fosse necessário limitação adicional de corrente.

Durante o ciclo positivo de um evento ESD transitório, um dos dois diodos é polarizado diretamente e o outro é polarizado inversamente, significando que um diodo conduz devido à sua polarização direta enquanto o outro atua no modo avalanche. Desta forma, ambos os diodos criam um caminho que leva à terra a partir de uma fonte ESD. Durante um ciclo ESD negativo, os diodos trocam seus modos, criando novamente um caminho e o circuito permanece protegido. Este circuito é preferível no caso em que você não sabe necessariamente qual será a possível polaridade de um evento ESD, conforme visto a partir da E/S do sistema.

Outros Componentes Supressores de ESD

Existem outros componentes supressores de ESD e supressão de tensão transitória disponíveis, como varistores multicamadas, tubos de descarga de gás e supressores baseados em polímero. Componentes supressores de ESD são usados para reduzir as tensões de ESD abaixo de um certo limite de forma que um circuito ou grupo de componentes seja protegido. Um componente ou circuito supressor é conectado em paralelo a uma linha vulnerável, o que mantém a tensão de ESD baixa até um certo limite e desvia a maior parte da corrente ESD para a terra. Esses componentes frequentemente têm um circuito de aplicação associado que você encontrará em uma ficha técnica, e esses circuitos de exemplo podem incluir um diodo TVS para fornecer supressão adicional de ESD de baixa tensão.

Exemplo: Tubo de Descarga de Gás + Diodo TVS

Uma estratégia para lidar com eventos transientes de alta tensão é usar um tubo de descarga a gás em paralelo com um diodo TVS, um indutor em série e um fusível. Esta estratégia protege contra eventos rápidos de ESD, surtos lentos, comutação e até mesmo raios. Um fusível adicional está presente para proteção contra sobrecorrente. Os tubos de descarga a gás são destinados a lidar com grandes tensões transientes que podem não originar de eventos de ESD, mas sim de fontes mais lentas como surtos de energia, raios e comutação. Uma imagem de um tubo de descarga a gás é mostrada abaixo.

O indutor e o diodo TVS agem como um circuito RL passa-baixa que fornece filtragem adicional e desacelera o tempo de subida do pulso de ESD antes de alcançar o circuito protegido. Uma vez que o diodo TVS se torna condutivo, o circuito desviará a corrente fornecida pelo pulso de ESD para que não impacte o circuito protegido. O GDT oferece proteção adicional se houver também um risco de surtos de energia, como de uma fonte não regulada ou da rede AC.

Proteção ESD no Layout do seu PCB

Mesmo que você adicione circuitos de proteção ESD ao seu projeto durante a captura esquemática, ainda é importante usar algumas escolhas inteligentes de layout para garantir a proteção ESD para circuitos sensíveis no layout da PCB. O objetivo principal da supressão de ESD é tornar o circuito mais confiável, reduzindo o custo de depuração e solução de problemas posteriormente.

• Use uma camada de terra no empilhamento da PCB: Usar uma camada de terra dentro da PCB fornece um grande condutor aterrado que pode aceitar quaisquer correntes induzidas por um evento de ESD. Isso proporciona muitos outros benefícios, como eliminar loops de terra, definir claramente a impedância e fornecer blindagem contra EMI.
• Reduza o comprimento de rotas longas: Se as rotas estão separadas do terra e são muito longas, elas podem ter alta indutância. Não apenas podem receber facilmente EMI, como podem experimentar uma oscilação transitória quando um pico de alta tensão se propaga pela trilha. Essa oscilação pode fazer com que um diodo TVS ou outro supressor falhe em funcionar.
• Não trace pistas ou componentes sensíveis perto de redes de alta tensão: É um conceito bastante simples de que a probabilidade de um evento de ESD (Descarga Eletrostática) é maior quando um componente está colocado mais próximo de uma rede ou componente de alta tensão. Se você tem componentes que não podem sobreviver a um grande evento de ESD ou a um surto de energia, o componente deve ser mantido afastado de tais fontes de tensão. Algum tipo de blindagem aterrada ao redor de componentes sensíveis ao ESD fornecerá proteção adicional.
• Aproveite sua caixa: Se você está usando uma caixa metálica aterrada, pode aproveitar o fato de que ela age como um terra de segurança. Fornecer uma conexão de baixa impedância de uma área sensível ao ESD do projeto (como um conector) de volta para a caixa é uma maneira de fornecer proteção ESD adicional.

Quanto ao último ponto acima, é difícil equilibrar a necessidade de prevenir ruído de modo comum com a necessidade de blindagem contra ESD. Nem todos os projetos precisarão de proteção ESD na forma de uma conexão com a caixa; você precisa considerar o ambiente onde o projeto será implantado e a magnitude do ESD que pode ser induzido no componente.

Garantir que uma montagem eletrônica esteja protegida contra ESD é muito importante para montagens que possuem interfaces externas para se comunicar com o mundo exterior. Embora alguns circuitos integrados incluam proteção contra ESD no próprio chip, ainda é recomendado posicionar estrategicamente circuitos de proteção contra ESD se o ambiente operacional do dispositivo criar um perigo de ESD forte. Isso pode ser necessário para que seu dispositivo receba certificações FCC ou CE, permitindo que você venda seu produto no mercado aberto.

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