Um Capacitor Deve Ser Usado Para Proteção Contra ESD?

Recentemente, vi uma publicação no LinkedIn sobre o uso de capacitores para proteção contra ESD (Descarga Eletrostática) em linhas que vêm de um conector para uma PCB. Eu não estava ciente disso, mas aparentemente existe uma visão um tanto popular de que capacitores podem ser colocados em linhas de alimentação e linhas de sinal como uma forma de proteção contra ESD. Isso é uma orientação apropriada?

Na minha visão, e na visão de outros projetistas muito experientes, capacitores não são universalmente apropriados como a única forma de proteção contra ESD em todos os circuitos que saem de um conector. Isso é especialmente verdadeiro em relação a sinais de alta velocidade. Uma simples análise das capacidades de carga/descarga dos capacitores, suas capacidades de filtragem e as típicas classificações de tensão dos capacitores, revela por que essa orientação não deve ser seguida cegamente.

Capacitores Para Proteção ESD?

A orientação que estou referenciando aqui recomenda o uso de um capacitor de 1 pF a 1 nF para proteção contra ESD no seguinte:

• Todas as linhas de sinal que saem de um conector
• Todas as linhas de alimentação que saem de um conector

Se você apenas pensar na ideia de desviar tensões rápidas para o terra, então a ideia de usar um capacitor muito pequeno para fornecer proteção contra ESD faz sentido; o capacitor basicamente atua como um filtro.

No entanto, uma vez que você olha para as especificações de capacitores reais, verá que existem boas razões para não usar capacitores como a única forma de proteção contra ESD em seu sistema.

Transientes Rápidos e Altas Tensões

Classificações de Tensão e Tamanho do Invólucro

O primeiro lugar para começar ao olhar para um componente como uma solução potencial para ESD é a classificação de tensão.

Redes de energia: Neste caso, poderíamos tentar usar capacitores de alta tensão para proteção. Como pode ser visto nos dados, a classificação de tensão e a capacitância estão relacionadas através do tamanho do invólucro.

Se você está trabalhando em um sistema de alta tensão onde você poderia esperar que ocorra ESD, existem capacitores de alta tensão disponíveis que podem ser usados. No caso típico de ESD, você poderia descarregar carga suficiente através do capacitor de proteção, mas isso pode exigir um tamanho grande de invólucro SMD, dependendo da sua classificação de tensão alvo.

A imagem abaixo mostra dados de capacitores cerâmicos de alta tensão da AVX; esses capacitores são o tipo que você normalmente usaria se precisasse de baixa capacitância e alta tensão em um tamanho de invólucro pequeno o suficiente para conectar a trilhas de um conector.

Os valores nesta tabela são típicos de componentes de outros fornecedores e devem deixar claro que pode ser difícil encontrar um capacitor adequado para proteção contra ESD. Para esta parte, a proteção até tensões muito altas requer um tamanho de caixa grande de 3640, o que ocupa muito espaço. Se, por exemplo, tivéssemos um conector de I/O de 40 pinos e quiséssemos ter um capacitor em cada linha de sinal, preferiríamos algo como um tamanho de caixa 0402, não um grande tamanho de caixa 3640. Você poderia encaixar tamanhos de caixa 3640 em leads vindos de um conector de energia em tensões mais altas, mas nunca seria capaz de encaixar um grande número de capacitores 3640 em linhas de sinal vindas de um conector.

Redes de sinal: Para redes de sinal, a classificação de tensão do seu capacitor precisará ser algo mais próximo ao nível lógico com algum derating aplicado. Em outras palavras, a classificação de tensão precisa exceder a maior tensão DC esperada na linha, enquanto o tamanho do capacitor precisa ser bastante grande. Nestes casos, você pode encontrar capacitores de ~100 nF em tamanhos de encapsulamento 0402 com classificações de tensão de nível lógico. No entanto, tais capacitores grandes não são desejáveis devido à sua capacidade de filtrar sinais rápidos (veja abaixo). Novamente, pode ser mais aconselhável evitar capacitores como sua única forma de proteção contra ESD em linhas de sinal e, em vez disso, confiar em outro método.

Tempo de Resposta e Indutância em Série (ESL)

A próxima razão pela qual preferiríamos diodos TVS em vez de capacitores é o tempo de resposta e a bidirecionalidade dos diodos TVS. O tempo de resposta de um capacitor importaria em um evento de ESD porque, se você quisesse desviar essa energia para o terra, o capacitor precisa carregar/descarregar mais rápido do que esse evento de ESD para fornecer ação de filtragem.

Alguns diodos TVS bidirecionais podem responder na ordem de picosegundos quando submetidos a uma tensão transiente rápida. Alcançar o mesmo nível com os capacitores disponíveis no mercado exigiria níveis de capacitância em pF e ESL muito baixo. Esses capacitores existem, mas suas classificações de tensão tendem a estar em níveis lógicos, não em níveis de kV, o que se deve ao seu pequeno tamanho de caixa (0402 ou 0201). Os tamanhos de caixa típicos têm ESL mais alto, portanto, não são desejáveis.

O circuito equivalente de capacitor mostrado aqui leva em conta a excitação de ressonâncias por um transiente rápido, incluindo um evento de ESD.

Devido ao problema da classificação de tensão, e devido à indutância de capacitores de alta tensão típicos que requerem tamanhos de caixa grandes, é melhor evitar capacitores como forma de proteção contra ESD, especialmente em linhas de sinal. Mais uma vez, os diodos TVS são uma opção melhor, pois podem fornecer tempos de resposta suficientemente rápidos para lidar com eventos de ESD de alta tensão, e existem diodos TVS projetados para tipos de sinal específicos.

Seus Sinais Também São Filtrados

Não seria ótimo se esses tipos de capacitores em linhas de sinal filtrasse apenas ESD e não seus sinais? O componente de proteção contra ESD ideal que pode realmente fazer isso é um diodo TVS.

A colocação de um capacitor como um elemento shunt para a terra em linhas de sinal digital essencialmente filtra seu sinal e limita a largura de banda disponível. Isso é prejudicial para o design de alta velocidade, onde idealmente gostaríamos de não ter limitação de largura de banda. O irônico é que a filtragem de sinal será mais severa do que a filtragem ESD, porque os pulsos ESD típicos não são tão rápidos quanto a maioria dos sinais de alta velocidade. Esta é outra razão para não usar capacitores e apenas ficar com diodos TVS se houver um requisito de resistência a ESD em seu sistema.

Transientes Lentos e Linhas de Energia

Um transiente "lento" aqui se refere a qualquer transiente com tempo de transição muito menor do que o tempo de resposta do capacitor. Neste caso, você normalmente verá capacitores de microfarads. Com base na suposição de que um transiente é lento e na conservação da carga, pode-se elaborar um argumento ilustrando como os capacitores fornecem proteção ESD:

1. Suponha que temos um pulso ESD V que entrega uma corrente total I
2. . A partir de I e do tempo total do pulso, podemos calcular a carga total entregue durante o pulso ESD Q
3. . Q e V definem uma capacitância equivalente C que fornece o pulso ESD
4. . Se C é modelado como estando em paralelo com nosso capacitor ESD C*, então Q se distribuirá entre C e C* juntos
5. . Isso reduz a tensão total vista nas entradas do circuito protegido

. O modelo de circuito equivalente usado neste argumento é mostrado abaixo.

. Se apenas calculássemos a nova tensão que seria observada após a carga existente ser distribuída entre o capacitor de proteção (C*) e a fonte ESD (C), esperaríamos a seguinte tensão:

. Portanto, a capacitância necessária é:

.Neste modelo de redistribuição de carga, para reduzir uma tensão ESD de 5 kV para 3,3 V a fim de proteger uma linha lógica, é necessário uma capacitância de C* = 500 nF, assumindo que a fonte ESD tenha uma capacitância equivalente de C = 330 pF. Se aplicarmos uma desclassificação de 50%, teremos a necessidade de um capacitor de 1 uF neste caso. Note que, em situações reais, a fonte ESD pode se assemelhar mais ao modelo do corpo humano, que inclui uma maior resistência em série na fonte e uma menor capacitância da fonte.

Isso é bom ou ruim? Para linhas de energia, pode-se justificar que isso é apropriado, mas não protege em todas as situações até tensões de suporte altas. Seus capacitores de volume padrão farão um trabalho melhor protegendo o circuito comparado a pequenos SMDs. Na maioria dos casos, mecanismos adicionais de proteção de circuito serão necessários de qualquer forma.

Se você tentar isso em linhas de sinal, poderá descobrir que o tamanho de caixa necessário é muito grande. Esses capacitores também filtrarão severamente os sinais e criarão limitação de largura de banda excessiva. No entanto, se o pino de E/S no componente receptor puder tolerar tempos de transição de microssegundos em uma linha de configuração (como um pino ENABLE em um ASIC, ou possivelmente I2C), então o uso de um capacitor pode ser justificável, mas não fornecerá proteção abrangente de uma linha de sinal. Mais uma vez, apenas use diodos TVS se houver um requisito de resistência.

Onde os Capacitores Podem Ajudar: Pequenos Surtos de Energia e Eventos de Comutação

Apenas porque os capacitores não são a melhor opção para eventos de ESD, isso não significa que eles não sejam úteis para certas formas de proteção de circuito. Pequenos surtos de energia e filtragem de tensões transientes de eventos de comutação são duas instâncias onde um capacitor fornecerá valor, pois ainda podem responder mais rápido do que surtos de energia de baixa tensão típicos e tensões transientes.

Surtos de energia podem variar de pequenos valores a milhares de volts. Para linhas conectadas à energia da rede ou a uma fonte não regulada, é típico ver uma abordagem de três frentes para garantir que a energia retificada seja estável e os surtos sejam suprimidos antes que essa energia seja distribuída aos dispositivos a jusante: Isso envolveria os seguintes componentes:

• Tubo de descarga de gás - Resposta lenta para proteção contra alta tensão
• Diodo TVS - Resposta muito rápida a pulsos de alta tensão/baixa corrente
• Varistor - Este componente altera sua resistência em resposta a uma tensão aplicada

Você pode até ver um relé de detecção de tensão e fusíveis nesses sistemas. Ambos podem ser usados com outros elementos de circuito para fornecer proteção contra sobretensão e proteção contra sobrecorrente, abrindo e depois redefinindo um circuito protegido

Você verá esses componentes usados em protetores de surto em sua casa; a mesma estratégia pode ser usada em uma PCB que deve receber energia da rede ou energia não regulada. Também haverá um interruptor de reinicialização que fecha o circuito após um evento de surto, conforme mostrado no exemplo abaixo.

Os capacitores de saída nessas linhas (conectados a um retificador de ponte) fornecem uma dupla função de estabilizar a tensão retificada e reduzir a magnitude de surtos lentos. Esses tendem a ser capacitores maiores, portanto, podem ter grandes dimensões e altos valores de suportar tensões, mas em detrimento de um tempo de resposta mais lento devido ao seu ESL. Assim, eles desviam alguma energia de surtos lentos antes que seu tubo de gás descarregue ou seu diodo TVS comece a conduzir. Em contraste, a maior parte da proteção necessária em situações de alta resistência com transientes mais rápidos não é fornecida por esses capacitores e é, em vez disso, fornecida pela lista de componentes acima.

Para saber mais sobre proteção ESD, leia estes recursos:

• O que é ESD e Como Afeta o Meu Design de PCB?
• Guia do Iniciante para o Design de Circuitos de Proteção ESD para PCBs
• Usando Técnicas de Aterramento ESD para Proteger sua PCB de Danos Elétricos

Em conclusão, os capacitores são úteis em situações limitadas, onde os transientes são mais lentos e não produzem tensões/correntes excessivamente altas. Tais casos ocorrem no caso de overshoot ou picos durante eventos de comutação, que são basicamente pequenos surtos em sistemas de energia. Transientes maiores requerem capacitores maiores, o que significa que esta seria uma estratégia melhor para energia, mas não tanto para sinais. Para outras formas de ESD, outros componentes farão um trabalho muito melhor em fornecer proteção abrangente contra ESD.

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