Hướng dẫn Cơ bản về Thiết kế Mạch Bảo vệ ESD cho PCBs

| Created: Tháng Chín 27, 2021 | Updated: Tháng Sáu 13, 2023

Dù bạn có thích hay không, PCB của bạn có thể gặp phải các sự kiện phóng điện tĩnh (ESD) trong suốt thời gian tồn tại của nó. Bảo vệ ESD trở nên quan trọng hơn đối với các mạch được thiết kế để tương tác với môi trường vật lý. Một mạch như vậy có thể có một kết nối cho giao tiếp bên ngoài không được bảo vệ chống lại điện tĩnh, hoặc nó không được bảo vệ chống tĩnh điện, có thể dẫn đến hỏng hóc linh kiện trong một sự kiện ESD.

Bình thường, điện tích tĩnh tích tụ trong quá trình hoạt động của thiết bị, và cuối cùng gây ra một sự kiện ESD lớn. Bằng cách đặt một mạch bảo vệ ESD một cách chiến lược trong thiết kế của bạn, bạn có thể ngăn chặn sự hỏng hóc của một mạch nhạy cảm. Thiết kế mạch bảo vệ ESD diễn ra trong sơ đồ khi bạn đang tạo mạch, và sau đó bạn sẽ chuyển nó sang bố trí PCB của mình. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số mạch bảo vệ ESD chính và cách bạn có thể bao gồm chúng trong thiết kế tiếp theo của mình.

Thiết kế Mạch Bảo Vệ ESD trong Sơ Đồ của Bạn

Mục tiêu trong thiết kế mạch bảo vệ ESD là xác định xem ESD sẽ ảnh hưởng đến những linh kiện quan trọng ở đâu, tiếp theo là thêm vào một số biện pháp giảm thiểu hoặc mạch shunt để đảm bảo điện áp ESD không bao giờ vượt quá một giới hạn nhất định. Phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất cho mục đích này là sử dụng diode phân cực ngược như các yếu tố shunt hướng về mạng đất; điều này có thể là một mặt đất trong PCB, mặc dù nó cũng có thể là vỏ bọc trong một hệ thống có tiếp đất.

Bốn phương pháp phổ biến để giảm thiểu hoặc chịu đựng các sự kiện ESD nhanh, sự tăng áp chậm, và các biến thiên từ các sự kiện chuyển mạch bao gồm:

Diode chống dòng điện xung kích (TVS)
Diode Zener phân cực ngược để kẹp các biến thiên
Varistors
Cầu chì (hoặc cầu chì có thể đặt lại)
Rơ le cảm biến điện ápỐng phóng điện khí
Mạch Crowbar
Mạch dựa trên MOSFET
Tất cả các lựa chọn này đều nhằm giải quyết nhiều nguồn điện áp biến thiên, từ ESD đến sét và các biến thiên lớn từ các sự kiện chuyển mạch. Một bảng với danh sách các nguồn điện áp biến thiên và phạm vi thời gian tăng của chúng được hiển thị dưới đây.

	Điện áp	Dòng điện	Thời gian tăng	Thời lượng
Sét	25 kV	20 kA	~0.01 ms	~1 ms
Xung đột	Biến đổi	Biến đổi	Chậm	Ngắn
Chuyển mạch	~100 V đến 1 kV	~100 A	~0.01 ms	~100 ms
EMP	~1 kV	~10 A	~10 ns	~1 ms
ESD	Đến ~20 kV	~10 A	~1-10 ns	~100 ns

Trong bảng này, chúng ta thấy rằng xung ESD rất nhanh, do đó các thành phần bảo vệ ESD cũng yêu cầu một thành phần có thể phản ứng rất nhanh với các sự kiện chuyển tiếp. Chỉ có varistors và diode TVS có thể cung cấp thời gian phản ứng đủ nhanh để giải quyết các sự kiện ESD, do đó chúng thường được sử dụng khi ESD là một vấn đề. Giữa hai loại này, diode TVS nhanh nhất và chúng được coi là thành phần bảo vệ ESD mục đích chung. Vì chúng rất nhanh, chúng cũng phù hợp để xử lý các sự kiện chậm hơn như xung đột, chuyển mạch và sét như đã liệt kê ở trên.

Diode TVS và Mạch Diode

Mạch bảo vệ diode TVS là một trong những loại phổ biến nhất trong các môi trường không công nghiệp, áp dụng cho điện áp thấp. So với các thành phần bảo vệ ESD khác được tích hợp trong IC quản lý năng lượng hoặc vi điều khiển, bảo vệ diode TVS có thể cung cấp khả năng ngăn chặn điện áp cao hơn và có thể được đặt gần I/Os hoặc bất kỳ nguồn ESD nào, như được minh họa dưới đây.

ESD protection circuit design TVS diode — *Ví dụ với một mạch bảo vệ ESD bao gồm các diode TVS song song trên một cổng I/O vi sai. Bạn có thể đọc thêm về mạch này trong bài viết này.*

Một mạch diode kẹp điện áp tiêu biểu được hiển thị dưới đây. Trách nhiệm chính của mạch kẹp điện áp này là giới hạn sự tích tụ điện áp trên cổng vào của bộ đệm. Lưu ý rằng điều này cũng có thể được áp dụng cho đầu vào sai biệt trên một op-amp. Hoạt động của mạch này rất đơn giản và, dưới điều kiện bình thường, diode D1 và D2 bị phân cực ngược. Bất cứ khi nào điện áp tại cổng vào lớn hơn điện áp nguồn cung cấp, thì diode D1 được phân cực thuận và dẫn điện. Tương tự, khi điện áp tại cổng vào thấp hơn mặt đất, thì diode D2 được phân cực thuận và dẫn điện từ mặt đất về phía cổng vào.

ESD protection circuit design Zener diode — *Các diode Zener được sử dụng trong mạch bảo vệ ESD trên cổng I/O của một bộ đệm single-ended.*

Mạch trên có thể sử dụng một số diode đơn giản với điện áp phá hủy phân cực ngược cao (ví dụ, diode Zener), hoặc diode TVS được kết hợp song song hoặc cấu hình đối diện. Các yếu tố chính được sử dụng để xác định loại diode nào được sử dụng là điện áp phá hủy và dòng điện thuận.

Diode TVS được phân loại thành hai loại; cả hai loại diode TVS đều hoạt động như mạch mở trong điều kiện hoạt động bình thường và như mạch ngắn mạch xuống đất khi xảy ra sự cố tăng áp ESD.

Diode TVS Một Chiều

Một diode TVS một chiều cho bảo vệ ESD được hiển thị dưới đây. Lưu ý rằng một diode TVS không nhất thiết phải là một diode Zener đơn giản, hoặc nó có thể là một linh kiện được quảng cáo cụ thể như là diode TVS (ví dụ, dòng Transzorb từ Vishay, được hiển thị dưới đây), như được thể hiện trong sơ đồ dưới đây.

Trong chu kỳ dương của một sự kiện ESD, diode này trở nên lệch ngược và hoạt động trong chế độ avalanche, dẫn đến dòng ESD chảy từ đầu vào xuống đất. Trong một chu kỳ âm, diode TVS này trở nên lệch thuận và dẫn dòng ESD. Đây là cách một diode TVS một chiều bảo vệ mạch khỏi ESD: bằng cách ngăn chặn hoặc cho phép dòng ESD chảy, tùy thuộc vào cực tính của nó.

Diode TVS Hai Chiều

Sơ đồ dưới đây cho thấy việc sử dụng điển hình của diode TVS hai chiều để bảo vệ các linh kiện nhạy cảm với ESD. Lưu ý rằng đây chỉ là một sắp xếp đơn giản của các diode Zener đặt ngược lại nhau. Một điện trở bổ sung có thể được thêm vào nếu cần giới hạn dòng điện thêm.

ESD protection circuit design bidirectional TVS diode — *Diode TVS triệt tiêu hai chiều trên đường nguồn của linh kiện được bảo vệ. Đây là ký hiệu cho Infineon ESD101B102ELSE6327XTSA1.*

Trong chu kỳ dương của một sự kiện ESD tạm thời, một trong hai diode được ghép nối thuận và diode kia được ghép nối ngược, nghĩa là một diode dẫn điện do được ghép nối thuận trong khi diode kia hoạt động theo chế độ xung kích. Như vậy, cả hai diode tạo thành một đường dẫn đến mặt đất từ nguồn ESD. Trong một chu kỳ ESD âm, các diode đổi chế độ của chúng, lại tạo ra một lối đi và mạch được bảo vệ. Mạch này được ưa chuộng trong trường hợp bạn không chắc chắn về cực tính có thể của một sự kiện ESD như được thấy từ I/O của hệ thống.

Các Thành Phần Giảm Xóc ESD Khác

Có các thành phần giảm xóc ESD và giảm áp điện áp tạm thời khác có sẵn, như các varistor đa lớp, ống phóng điện khí, và các giảm xóc dựa trên polymer. Các thành phần giảm xóc ESD được sử dụng để giảm điện áp ESD xuống dưới một giới hạn nhất định sao cho một mạch hoặc nhóm các thành phần được bảo vệ. Một thành phần hoặc mạch giảm xóc được kết nối song song với một đường dây dễ bị tổn thương, duy trì điện áp ESD thấp đến một giới hạn nhất định và chuyển dòng điện ESD chính đến mặt đất. Các thành phần này thường có một mạch ứng dụng liên quan bạn sẽ tìm thấy trong bảng dữ liệu, và những mạch ví dụ này có thể bao gồm một diode TVS để cung cấp giảm xóc ESD điện áp thấp bổ sung.

Ví dụ: Ống Phóng Điện Khí + Diode TVS

Một chiến lược để đối phó với các sự kiện dòng điện cao áp tạm thời là sử dụng một ống phóng điện khí song song với một diode TVS, một cuộn cảm nối tiếp, và một cầu chì. Chiến lược này nhanh chóng xử lý các sự kiện ESD nhanh, dòng điện tăng chậm, chuyển mạch, và thậm chí sét. Một cầu chì bổ sung có mặt để bảo vệ quá dòng. Ống phóng điện khí được thiết kế để xử lý các điện áp tạm thời lớn có thể không phát sinh từ các sự kiện ESD, mà thay vào đó xuất phát từ các nguồn chậm hơn như sự tăng áp, sét, và chuyển mạch. Hình ảnh của một ống phóng điện khí được hiển thị bên dưới.

ESD protection gas discharge — *Ống phóng điện khí là một lựa chọn để triệt tiêu các xung điện.*

Cuộn cảm và diode TVS hoạt động như một mạch RL thông thấp cung cấp bộ lọc bổ sung và làm chậm thời gian tăng của xung ESD trước khi nó đến với mạch được bảo vệ. Một khi diode TVS chuyển sang trạng thái dẫn điện, mạch sẽ chuyển dòng điện do xung ESD cung cấp để nó không ảnh hưởng đến mạch được bảo vệ. GDT cung cấp bảo vệ bổ sung nếu có nguy cơ về sự tăng áp, chẳng hạn từ một nguồn cung cấp không được điều chỉnh hoặc từ nguồn điện xoay chiều.

ESD protection gas discharge tube and TVS diode — *Thiết kế mạch bảo vệ ESD với diode TVS và ống phóng điện khí.*

Bảo vệ ESD trong Bố cục PCB của Bạn

Ngay cả khi bạn đã thêm mạch bảo vệ ESD vào thiết kế của mình trong quá trình vẽ sơ đồ, việc sử dụng một số lựa chọn bố trí thông minh vẫn rất quan trọng để đảm bảo bảo vệ ESD cho các mạch nhạy cảm trong bố trí PCB. Mục đích chính của việc ngăn chặn ESD là làm cho mạch hoạt động đáng tin cậy hơn trong khi giảm chi phí cho việc gỡ lỗi và khắc phục sự cố sau này.

Sử dụng mặt đất trong chồng PCB: Việc sử dụng một mặt đất bên trong PCB cung cấp một dẫn điện được nối đất lớn có thể tiếp nhận bất kỳ dòng điện nào được gây ra từ một sự kiện ESD. Nó cung cấp nhiều lợi ích khác như loại bỏ vòng lặp nối đất, xác định trở kháng rõ ràng và cung cấp bảo vệ chống lại EMI.
Giảm chiều dài của các tuyến đường dài: Nếu các tuyến đường được tách biệt khỏi mặt đất và quá dài, chúng có thể có độ tự cảm cao. Không chỉ dễ dàng nhận EMI, chúng còn có thể trải qua dao động tạm thời khi một đỉnh điện áp cao lan truyền qua dấu vết. Dao động này có thể khiến cho một diode TVS hoặc các thiết bị giảm áp khác không hoạt động được.
Không nên đặt các đường mạch hoặc linh kiện nhạy cảm gần các mạng điện áp cao: Đây là một khái niệm khá đơn giản rằng khả năng xảy ra sự kiện tĩnh điện (ESD) sẽ cao hơn khi một linh kiện được đặt gần một mạng điện áp cao hoặc linh kiện. Nếu bạn có các linh kiện không thể chịu được một sự kiện ESD lớn hoặc sự tăng áp đột ngột, linh kiện đó nên được giữ xa khỏi các nguồn điện áp như vậy. Một số vỏ bọc có tiếp địa xung quanh các linh kiện nhạy cảm với ESD sẽ cung cấp thêm sự bảo vệ.
Tận dụng lợi thế của vỏ bọc: Nếu bạn sử dụng một vỏ bọc kim loại có tiếp địa, bạn có thể tận dụng thực tế là nó hoạt động như một mặt đất an toàn. Cung cấp một kết nối trở kháng thấp từ một khu vực nhạy cảm với ESD của thiết kế (như một kết nối) trở lại với vỏ bọc là một cách để cung cấp thêm sự bảo vệ ESD.

Về điểm cuối cùng ở trên, việc cân bằng nhu cầu ngăn chặn nhiễu chế độ chung với nhu cầu bảo vệ chống lại ESD là khó khăn. Không phải tất cả các thiết kế đều cần bảo vệ ESD dưới hình thức kết nối với vỏ bọc; bạn cần xem xét môi trường nơi thiết kế sẽ được triển khai và mức độ ESD có thể được gây ra trong linh kiện.

Đảm bảo rằng một bộ lắp ráp điện tử được bảo vệ khỏi tĩnh điện (ESD) là rất quan trọng đối với các bộ lắp ráp có giao diện ngoại vi để giao tiếp với thế giới bên ngoài. Mặc dù một số mạch tích hợp sẽ bao gồm bảo vệ ESD trên chíp, nhưng vẫn được khuyến nghị đặt các mạch bảo vệ ESD một cách chiến lược nếu môi trường hoạt động của thiết bị tạo ra nguy cơ ESD mạnh. Điều này có thể được yêu cầu để thiết bị của bạn nhận được chứng nhận FCC hoặc CE để bạn có thể bán sản phẩm của mình trên thị trường mở.

Việc tạo ra, tìm nguồn, quản lý linh kiện PCB và thiết kế mạch bảo vệ ESD trở nên dễ dàng hơn nhiều với bộ tính năng thiết kế đầy đủ trong CircuitMaker. Mọi người dùng CircuitMaker đều có quyền truy cập vào không gian làm việc riêng tại nền tảng đám mây Altium 365™, nơi có thể lưu trữ và chia sẻ dự án, dữ liệu linh kiện, dữ liệu sản xuất và bất kỳ tài liệu dự án nào khác với các cộng tác viên.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay.

What is Schematic Capture? How to Create a PCB Schematic Convert a Schematic to a PCB Layout Schematic Capture in Altium Designer

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.