Следует ли использовать конденсатор для защиты от электростатических разрядов (ESD)?

Недавно я увидел публикацию в LinkedIn о использовании конденсаторов для защиты от электростатических разрядов (ESD) для линий, идущих от разъема на печатную плату (PCB). Я не знал об этом, но, по-видимому, существует довольно популярное мнение, что конденсаторы можно размещать на линиях питания и сигнальных линиях в качестве формы защиты от ESD. Является ли это подходящим руководством к действию?

Мое мнение, а также мнение других очень опытных разработчиков, заключается в том, что конденсаторы не всегда подходят в качестве единственной формы защиты от ESD для каждой цепи, исходящей от разъема. Это особенно актуально для высокоскоростных сигналов. Простой взгляд на способности зарядки/разрядки конденсаторов, их фильтрующие способности и типичные номинальные напряжения конденсаторов показывает, почему этому руководству не следует слепо следовать.

Конденсаторы для защиты от ESD?

Руководство, на которое я здесь ссылаюсь, рекомендует использовать конденсаторы емкостью от 1 пФ до 1 нФ для защиты от ESD на следующих линиях:

• Все сигнальные линии, исходящие от разъема
• Все линии питания, исходящие от разъема

Если подумать об этом с точки зрения отвода быстрых напряжений на землю, то идея использования очень маленького конденсатора для защиты от ESD кажется разумной; конденсатор в основном действует как фильтр.

Однако, когда вы начнете изучать характеристики реальных конденсаторов, вы увидите, что есть веские причины не использовать конденсаторы как единственную форму защиты от ЭСР в вашей системе.

Быстрые Переходные Процессы и Высокие Напряжения

Номинальные Напряжения и Размер Корпуса

Первое, с чего стоит начать при рассмотрении компонента в качестве потенциального решения для защиты от ЭСР, это номинальное напряжение.

Силовые сети: В этом случае мы могли бы попытаться использовать конденсаторы с высоким напряжением для защиты. Как видно из данных, номинальное напряжение и емкость связаны через размер корпуса.

Если вы работаете в системе с высоким напряжением, где можно ожидать ЭСР, доступны конденсаторы с высоким напряжением, которые можно использовать. В типичном случае ЭСР вы могли бы рассеять достаточно заряда через защитный конденсатор, но это может потребовать большого размера корпуса SMD, в зависимости от вашего целевого номинального напряжения.

На изображении ниже показаны данные от AVX керамические конденсаторы высокого напряжения; эти конденсаторы типично используются, если вам нужна низкая емкость и высокое напряжение в достаточно малом корпусе, чтобы подключиться к дорожкам от разъема.

Значения в этой таблице типичны для компонентов других производителей и должны ясно показывать, что может быть сложно найти подходящий конденсатор для защиты от ЭСР. Для этой части защита на очень высоких напряжениях требует большого корпуса размером 3640, который занимает много места. Если, например, у нас есть 40-контактный разъем ввода/вывода и мы хотели бы иметь конденсатор на каждой сигнальной линии, мы бы предпочли что-то вроде размера корпуса 0402, а не большой размер корпуса 3640. Вы могли бы установить корпусы размера 3640 на выводы, идущие от разъема питания на более высоких напряжениях, но вы никогда не смогли бы уместить большое количество конденсаторов 3640 на сигнальных линиях, идущих от разъема.

Сигнальные сети: Для сигнальных сетей номинальное напряжение вашего конденсатора должно быть ближе к уровню логики с некоторым применением понижающего коэффициента. Другими словами, номинальное напряжение должно превышать максимально ожидаемое постоянное напряжение в линии, в то время как размер конденсатора должен быть достаточно большим. В таких случаях вы можете найти конденсаторы ~100 нФ в корпусах 0402 с номинальным напряжением уровня логики. Однако такие большие конденсаторы нежелательны из-за их способности фильтровать быстрые сигналы (см. ниже). Опять же, вам, возможно, лучше избегать использования конденсаторов как единственной формы защиты от ЭСР на сигнальных линиях и вместо этого полагаться на другой метод.

Время отклика и последовательная индуктивность (ESL)

Следующая причина, по которой мы предпочли бы диоды TVS вместо конденсаторов, это время отклика и двунаправленность диодов TVS. Время отклика конденсатора имеет значение в случае ЭСР, потому что, если вы хотите отвести эту мощность на землю, конденсатор должен заряжаться/разряжаться быстрее, чем происходит ЭСР, чтобы обеспечить фильтрацию.

Некоторые двунаправленные диоды TVS могут реагировать в порядке пикосекунд при подаче быстрого переходного напряжения. Достижение такого же уровня с доступными на рынке конденсаторами потребовало бы уровней емкости в пФ и очень низкого ESL. Такие конденсаторы существуют, но их номинальные напряжения обычно находятся на уровне логических уровней, а не на уровне кВ, что обусловлено их малым размером корпуса (0402 или 0201). Типичные размеры корпусов имеют большее значение ESL, поэтому они не желательны.

Показанная здесь эквивалентная схема конденсатора учитывает возбуждение резонансов быстрым переходным процессом, включая событие ЭСР (электростатического разряда).

Из-за проблемы с номинальным напряжением, а также из-за индуктивности типичных высоковольтных конденсаторов, требующих больших размеров корпуса, лучше избегать использования конденсаторов в качестве защиты от ЭСР, особенно на сигнальных линиях. Опять же, диоды TVS являются лучшим вариантом, поскольку они могут обеспечить достаточно быстрое время реакции для защиты от высоковольтных событий ЭСР, и существуют диоды TVS, разработанные для конкретных типов сигналов.

Ваши сигналы тоже фильтруются

Не было бы замечательно, если бы такие конденсаторы на сигнальных линиях фильтровали только ЭСР, а не ваши сигналы? Идеальный компонент защиты от ЭСР, который действительно может это сделать, - это диод TVS.

Размещение конденсатора в качестве шунтирующего элемента на землю по линиям цифровых сигналов по сути фильтрует ваш сигнал и ограничивает доступную полосу пропускания канала. Это всё плохо для высокоскоростного дизайна, где идеально мы бы хотели не иметь ограничений полосы пропускания. Иронично, что фильтрация сигнала будет более серьёзной, чем фильтрация от ЭСР, потому что типичные импульсы ЭСР не такие быстрые, как большинство высокоскоростных сигналов. Это ещё одна причина не использовать конденсаторы и остановить свой выбор на диодах TVS, если в вашей системе есть требования к устойчивости к ЭСР.

Медленные переходные процессы и линии питания

Здесь под "медленным" переходным процессом подразумевается любой переходный процесс с временем перехода, которое значительно меньше времени реакции конденсатора. В этом случае вы обычно увидите конденсаторы на микрофарады. Исходя из предположения, что переходный процесс медленный и основываясь на законе сохранения заряда, можно разработать аргументацию, иллюстрирующую, как конденсаторы обеспечивают защиту от ЭСР:

1. Предположим, что у нас есть импульс ЭСР V, который передает некоторый общий ток I
2. . Из I и общего времени импульса мы можем рассчитать общий заряд, передаваемый во время импульса ЭСР Q
3. . Q и V определяют эквивалентную емкость C, которая обеспечивает импульс ЭСР
4. . Если C моделируется как находящаяся параллельно нашему конденсатору ЭСР C*, то Q будет распределяться между C и C* вместе
5. . Это снижает общее напряжение, наблюдаемое на входах защищенной схемы

Эквивалентная схема модели, используемая в этом аргументе, показана ниже.

Если мы просто рассчитаем новое напряжение, которое будет наблюдаться после распределения существующего заряда между защитным конденсатором (C*) и источником ЭСР (C), мы ожидаем следующее напряжение:

Следовательно, требуемая емкость составляет:

В этой модели перераспределения заряда для снижения напряжения ЭСР с 5 кВ до 3,3 В для защиты логической линии требуется емкость C* = 500 нФ, предполагая, что источник ЭСР имеет эквивалентную емкость C = 330 пФ. Если мы применяем 50% дерейтинг, то в этом случае потребуется конденсатор на 1 мкФ. Обратите внимание, что в реальных ситуациях источник ЭСР может больше соответствовать модели человеческого тела, которая включает большее последовательное сопротивление на источнике и меньшую емкость источника.

Это хорошо или плохо? Для линий питания можно сделать вывод, что это подходит, но это не защищает во всех ситуациях до высоких напряжений выдержки. Ваши стандартные балконные конденсаторы будут лучше защищать схему по сравнению с маленькими SMD. В большинстве случаев все равно потребуются дополнительные механизмы защиты схемы.

Если вы попробуете это сделать на сигнальных линиях, вы можете обнаружить, что требуемый размер корпуса очень велик. Такие конденсаторы также будут сильно фильтровать сигналы и создавать чрезмерное ограничение полосы пропускания. Однако, если вход/выход контакта на принимающем компоненте может терпеть микросекундные времена перехода на линии конфигурации (например, контакт ENABLE на ASIC или, возможно, I2C), то такое использование конденсатора может быть оправданным, но не обеспечит полной защиты сигнальной линии. Опять же, просто используйте диоды TVS, если есть требование к устойчивости.

Где конденсаторы могут помочь: небольшие скачки напряжения и коммутационные события

Тот факт, что конденсаторы не лучший вариант для событий ЭСР, не означает, что они не полезны для определенных форм защиты схемы. Небольшие скачки напряжения и фильтрация переходных напряжений от коммутационных событий - это два случая, когда конденсатор будет полезен, поскольку он все еще может реагировать быстрее, чем типичные низковольтные скачки напряжения и переходные напряжения.

Скачки напряжения могут варьироваться от небольших значений до тысяч вольт. Для линий, подключенных к сети переменного тока или нерегулируемому источнику питания, типично видеть трехступенчатый подход к обеспечению стабильности выпрямленного питания и подавлению скачков напряжения перед тем, как это питание распределяется к устройствам, находящимся ниже по течению: Это будет включать в себя следующие компоненты:

• Газоразрядная трубка - Медленное реагирование для защиты от высокого напряжения
• TVS диод - Очень быстрое реагирование на импульсы высокого напряжения/низкого тока
• Варистор - Этот компонент изменяет свое сопротивление в ответ на приложенное напряжение

Вы также можете увидеть реле контроля напряжения и предохранители в этих системах. Оба могут использоваться с другими элементами схемы для обеспечения защиты от перенапряжения и защиты от перегрузки по току, открывая и затем сбрасывая защищенную цепь

Вы увидите эти компоненты, используемые в устройствах защиты от перенапряжений в вашем доме; та же стратегия может быть использована на печатной плате, которая должна получать питание от сети или нерегулируемое питание. Также будет переключатель сброса, который замыкает цепь после события перенапряжения, как показано в примере ниже.

Выходные конденсаторы на этих линиях (подключенные к мостовому выпрямителю) выполняют двойную функцию: стабилизируют выпрямленное напряжение и снижают амплитуду медленных скачков напряжения. Обычно это большие конденсаторы, поэтому они могут иметь большой корпус и высокие значения напряжения, допустимого к выдерживанию, но за счет более медленного времени реакции из-за их ESL. Таким образом, они отводят часть мощности от медленных скачков напряжения до того, как сработает ваш газоразрядный трубчатый предохранитель или начнет проводить ваш диод TVS. В отличие от этого, большая часть защиты, требуемой в ситуациях с высоким напряжением и быстрыми переходными процессами, не обеспечивается этими конденсаторами, а предоставляется списком компонентов, указанных выше.

Чтобы узнать больше о защите от ESD, прочтите эти ресурсы:

• Что такое ESD и как это влияет на мой дизайн печатной платы?
• Руководство для начинающих по проектированию схем защиты от ЭСР для печатных плат
• Использование методов заземления для защиты вашей печатной платы от электрических повреждений

В заключение, конденсаторы полезны в ограниченных ситуациях, когда переходные процессы медленные и не вызывают чрезмерно высоких напряжений/токов. Такие случаи возникают при перенапряжении или всплесках во время коммутационных событий, которые, по сути, являются небольшими скачками в энергосистемах. Большие переходные процессы требуют больших конденсаторов, что означает, что это будет лучшей стратегией для энергии, но не так уж хорошо для сигналов. Для других форм ЭСР другие компоненты сделают гораздо лучшую работу по обеспечению комплексной защиты от ЭСР.

Когда вы хотите построить стабильные и надежные энергосистемы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.