Руководство для начинающих по проектированию схем защиты от электростатического разряда (ESD) для печатных плат

Нравится вам это или нет, но ваша печатная плата (PCB) может столкнуться с событиями электростатического разряда (ESD) в течение своего срока службы. Защита от ESD особенно важна для схем, предназначенных для взаимодействия с физической средой. Такая схема может иметь разъем для внешней связи, который не защищен от статического электричества, или не имеет электростатической защиты, что может привести к выходу из строя компонентов во время события ESD.

Обычно статический электрический заряд накапливается во время работы устройства, и это в конечном итоге вызывает большое событие ESD. Размещая схему защиты от ESD стратегически в вашем проекте, вы можете предотвратить выход из строя чувствительной схемы. Проектирование схемы защиты от ESD происходит на этапе создания схематики, и позже вы перенесете это в макет вашей печатной платы. В этой статье мы рассмотрим некоторые основные схемы защиты от ESD и как вы можете включить их в свой следующий проект.

Проектирование схемы защиты от ESD в ваших схематиках

Цель проектирования схем защиты от ЭСР заключается в определении, какие важные компоненты могут быть затронуты ЭСР, а затем в добавлении некоторых мер подавления или шунтирующих цепей, чтобы убедиться, что напряжение ЭСР никогда не превышает определенного предела. Простейший и наиболее широко используемый метод для этой цели - использование обратно смещенных диодов в качестве шунтирующих элементов, направленных к земляной сети; это может быть земляная плоскость на печатной плате, хотя это также может быть корпус в системе с заземлением.

Четыре общих метода подавления или выдерживания быстрых событий ЭСР, медленных скачков напряжения и переходных процессов от коммутационных событий включают:

1. Диоды подавления переходных напряжений (TVS)
2. Зенеровские диоды в режиме обратного смещения для подавления переходных процессов
3. Варисторы
4. Предохранители (или самовосстанавливающиеся предохранители)
5. Реле с измерением напряжения реле
6. Газоразрядные трубки
7. Цепи защиты «краудбар»
8. Схемы на основе MOSFET

Все эти варианты предназначены для защиты от различных источников переходных напряжений, начиная от электростатических разрядов (ESD) и заканчивая ударами молнии и крупными переходными процессами, возникающими при коммутациях. Ниже представлена таблица с перечнем источников переходных напряжений и диапазоном их времени нарастания.

В этой таблице мы видим, что импульсы ЭСР очень быстрые, поэтому компоненты защиты от ЭСР также требуют компонента, который может очень быстро реагировать на кратковременные события. Только варисторы и диоды TVS могут обеспечить достаточно быстрое время отклика для защиты от событий ЭСР, поэтому они наиболее часто используются, когда есть опасения ЭСР. Среди них диоды TVS являются самыми быстрыми и рассматриваются как универсальные компоненты защиты от ЭСР. Благодаря их скорости, они также подходят для обработки более медленных событий, таких как перепады напряжения, коммутация и молнии, как указано выше.

Диоды TVS и диодные схемы

Цепи защиты с помощью диодов TVS являются одними из наиболее распространенных в неиндустриальных, низковольтных условиях. По сравнению с другими компонентами защиты от ЭСР, которые встраиваются в микросхемы управления питанием или микроконтроллеры, защитные диоды TVS могут обеспечить более высокое подавление напряжения и могут быть размещены рядом с I/O или любым источником ЭСР, как показано в примере ниже.

Ниже показана типичная схема диода ограничения напряжения. Основная задача этой схемы ограничения напряжения заключается в ограничении накопления напряжений на входном терминале буфера. Обратите внимание, что это также может быть применено к дифференциальному входу на операционном усилителе. Работа этой схемы очень проста и, при нормальных условиях, диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении. Когда напряжение на входе превышает напряжение питания, тогда диод D1 смещается в прямом направлении и проводит ток. Аналогично, когда напряжение на входе падает ниже уровня земли, тогда диод D2 смещается в прямом направлении и проводит ток от земли к входу.

Вышеупомянутая схема может использовать некоторые простые диоды с высоким напряжением пробоя при обратном смещении (например, диод Зенера) или диоды TVS, которые соединены параллельно или встречно-параллельно. Основные факторы, используемые для определения типа используемых диодов, - это напряжение пробоя и прямой ток.

ТВС-диоды делятся на два типа; оба типа ТВС-диодов в нормальных условиях работы ведут себя как разомкнутые цепи и как короткозамкнутые цепи на землю при возникновении всплеска ЭСР.

Унидирекциональные ТВС-диоды

Ниже показан унидирекциональный ТВС-диод для защиты от ЭСР. Обратите внимание, что ТВС-диод может быть не чем иным, как простым диодом Зенера, или это может быть компонент, специально предназначенный в качестве ТВС-диода (например, серия Transzorb от Vishay, показанная ниже), как это показано на схеме ниже.

Во время положительного цикла события ЭСР этот диод становится обратно смещенным и работает в режиме лавинного пробоя, в результате чего ток ЭСР течет от входа к земле. Во время отрицательного цикла этот ТВС-диод становится прямо смещенным и проводит ток ЭСР. Вот как унидирекциональный ТВС-диод защищает схему от ЭСР: либо предотвращая, либо разрешая поток тока ЭСР в зависимости от его полярности.

Бидирекциональные ТВС-диоды

На схеме ниже показано типичное использование бидирекциональных ТВС-диодов для защиты компонентов, чувствительных к ЭСР. Обратите внимание, что это просто простое последовательное соединение диодов Зенера. Если необходимо дополнительное ограничение тока, может быть добавлен дополнительный резистор.

Во время положительного цикла переходного события ЭСР один из двух диодов смещается в прямом направлении, а другой - в обратном, что означает, что один диод проводит ток благодаря своему прямому смещению, в то время как другой работает в режиме лавины. Таким образом, оба диода создают путь, ведущий к земле от источника ЭСР. Во время отрицательного цикла ЭСР диоды меняют свои режимы на противоположные, снова создавая путь, и схема остается защищенной. Эта схема предпочтительна в случае, когда вы не знаете, какой может быть возможная полярность события ЭСР, как это видно из системного ввода/вывода.

Другие компоненты подавления ЭСР

Существуют и другие компоненты подавления ЭСР и подавления переходных напряжений, такие как многослойные варисторы, газоразрядные трубки и полимерные подавители. Компоненты подавления ЭСР используются для снижения напряжений ЭСР до определенного предела таким образом, чтобы схема или группа компонентов была защищена. Компонент или схема подавления подключается параллельно к уязвимой линии, что поддерживает низкое напряжение ЭСР до определенного предела и отводит основной ток ЭСР на землю. Эти компоненты часто имеют связанную с ними принципиальную схему, которую вы найдете в техническом описании, и эти примеры схем могут включать диод ТВС для обеспечения дополнительного подавления ЭСР низкого напряжения.

Пример: Газоразрядная трубка + Диод ТВС

Одна из стратегий борьбы с высоковольтными переходными процессами заключается в использовании газоразрядной трубки параллельно с TVS-диодом, последовательным дросселем и предохранителем. Эта стратегия эффективна против быстрых событий ESD, медленных скачков напряжения, коммутационных процессов и даже молний. Дополнительный предохранитель предусмотрен для защиты от перегрузки по току. Газоразрядные трубки предназначены для борьбы с большими переходными напряжениями, которые могут не происходить из-за событий ESD, а возникать от более медленных источников, таких как скачки напряжения, молнии и коммутационные процессы. Ниже показано изображение газоразрядной трубки.

Дроссель и TVS-диод действуют как низкочастотная RL-цепь, которая обеспечивает дополнительную фильтрацию и замедляет нарастание импульса ESD, прежде чем он достигнет защищаемой цепи. Как только TVS-диод переходит в проводящее состояние, цепь отводит ток, предоставляемый импульсом ESD, так что он не воздействует на защищаемую цепь. Газоразрядная трубка предлагает дополнительную защиту, если также существует риск скачков напряжения, например, от нерегулируемого источника питания или от сети переменного тока.

Защита от ESD в вашей печатной плате

Даже если вы добавите в свою схему цепи защиты от ЭСР во время захвата схемы, всё равно важно использовать умные решения при размещении элементов, чтобы обеспечить защиту от ЭСР для чувствительных цепей на плате печатной сборки. Основная цель подавления ЭСР - повысить надежность схемы, уменьшая при этом затраты на отладку и устранение неполадок позже.

• Используйте земляную плоскость в стеке ПП: Использование земляной плоскости внутри ПП обеспечивает большой заземленный проводник, который может принять любые токи, индуцированные событием ЭСР. Это обеспечивает множество других преимуществ, таких как устранение петель заземления, определение четкого импеданса и обеспечение защиты от ЭМП.
• Уменьшите длину длинных трасс: Если трассы отделены от земли и слишком длинные, они могут иметь высокую индуктивность. Они не только могут легко принимать ЭМП, но и могут испытывать переходные колебания, когда через дорожку распространяется высоковольтный импульс. Эти колебания могут привести к тому, что диод ТВС или другой подавитель не сработает.
• Не прокладывайте чувствительные дорожки или компоненты рядом с сетями высокого напряжения: Это довольно простой принцип, что вероятность события электростатического разряда (ESD) увеличивается, когда компонент размещается ближе к сети или компоненту высокого напряжения. Если у вас есть компоненты, которые не могут выдержать большой электростатический разряд или скачок напряжения, такой компонент следует держать подальше от таких источников напряжения. Некоторое заземленное экранирование вокруг компонентов, чувствительных к ESD, обеспечит дополнительную защиту.
• Используйте преимущества вашего корпуса: Если вы используете заземленный металлический корпус, вы можете воспользоваться тем, что он действует как защитное заземление. Обеспечение низкоимпедансного соединения от области конструкции, чувствительной к ESD (например, разъема), обратно к корпусу - один из способов обеспечить дополнительную защиту от ESD.

Что касается последнего пункта выше, сложно найти баланс между необходимостью предотвращения общего шума и необходимостью экранирования от ESD. Не все конструкции потребуют защиты от ESD в виде соединения с корпусом; вам нужно учитывать среду, в которой будет развернута конструкция, и величину ESD, которая может быть индуцирована в компоненте.

Обеспечение защиты электронной сборки от ЭСР (электростатического разряда) очень важно для сборок, имеющих внешние интерфейсы для связи с внешним миром. Хотя некоторые интегральные схемы будут включать защиту от ЭСР непосредственно на кристалле, всё же рекомендуется стратегически размещать схемы защиты от ЭСР, если рабочая среда устройства создаёт опасность сильных электростатических разрядов. Это может быть необходимо для того, чтобы ваше устройство получило сертификации FCC или CE, что позволит вам продавать ваш продукт на открытом рынке.

Создание компонентов печатной платы, поиск, управление и проектирование схем защиты от ЭСР значительно упрощаются с полным набором функций проектирования в CircuitMaker. Каждый пользователь CircuitMaker имеет доступ к собственному рабочему пространству на облачной платформе Altium 365, где можно хранить и делиться с сотрудниками проектами, данными компонентов, данными производства и любой другой проектной документацией.

Начните использовать CircuitMaker сегодня.