Có nên sử dụng tụ điện để bảo vệ chống tĩnh điện (ESD) không?

Gần đây tôi đã thấy một bài đăng trên LinkedIn về việc sử dụng tụ điện để bảo vệ chống tĩnh điện (ESD) cho các đường dẫn từ một kết nối vào mạch in (PCB). Tôi không biết về điều này, nhưng có vẻ như có một quan điểm khá phổ biến rằng có thể đặt tụ điện trên các đường dẫn nguồn và tín hiệu như một hình thức bảo vệ ESD. Liệu đây có phải là một hướng dẫn phù hợp?

Quan điểm của tôi, và quan điểm của những nhà thiết kế có kinh nghiệm khác, là tụ điện không phải lúc nào cũng phù hợp như là hình thức bảo vệ ESD duy nhất trên mọi mạch điện nối từ một kết nối. Điều này đặc biệt đúng với các tín hiệu tốc độ cao. Chỉ cần nhìn vào khả năng sạc/xả của tụ điện, khả năng lọc của chúng, và các mức điện áp điển hình của tụ điện, sẽ tiết lộ lý do tại sao hướng dẫn này không nên được tuân theo một cách mù quáng.

Tụ Điện Cho Bảo Vệ ESD?

Hướng dẫn mà tôi đề cập ở đây khuyến nghị sử dụng tụ điện từ 1 pF đến 1 nF cho bảo vệ ESD trên các đường dẫn sau:

• Tất cả các đường tín hiệu nối từ một kết nối
• Tất cả các đường nguồn nối từ một kết nối

Nếu bạn chỉ nghĩ về nó từ ý tưởng chuyển nhanh các điện áp sang mặt đất, thì ý tưởng sử dụng một tụ điện rất nhỏ để cung cấp bảo vệ ESD có vẻ hợp lý; tụ điện cơ bản hoạt động như một bộ lọc.

Tuy nhiên, khi bạn xem xét các thông số kỹ thuật của các tụ điện thực tế, bạn sẽ thấy rằng có một số lý do tốt để không sử dụng tụ điện như là hình thức duy nhất bảo vệ chống tĩnh điện (ESD) trong hệ thống của bạn.

Xung Nhanh và Điện Áp Cao

Đánh Giá Điện Áp và Kích Thước Vỏ

Điểm đầu tiên để bắt đầu khi xem xét một linh kiện như một giải pháp tiềm năng cho ESD là đánh giá điện áp.

Mạng điện: Trong trường hợp này, chúng ta có thể cố gắng sử dụng tụ điện cao áp để bảo vệ. Như có thể thấy trong dữ liệu, đánh giá điện áp và dung lượng liên quan đến kích thước vỏ.

Nếu bạn đang làm việc trong một hệ thống điện áp cao nơi bạn có thể mong đợi ESD xảy ra, có các tụ điện cao áp có sẵn có thể được sử dụng. Trong trường hợp ESD điển hình, bạn có thể xả đủ điện tích qua tụ điện bảo vệ, nhưng nó có thể yêu cầu kích thước vỏ SMD lớn, tùy thuộc vào đánh giá điện áp mục tiêu của bạn.

Hình ảnh dưới đây cho thấy dữ liệu từ AVX tụ điện gốm cao áp; những tụ điện này là loại bạn sẽ thường sử dụng nếu bạn cần dung lượng thấp và điện áp cao trong một kích thước vỏ đủ nhỏ để kết nối với các đường dẫn từ một kết nối.

Các giá trị trong bảng này là điển hình cho các thành phần từ nhà cung cấp khác và chúng nên làm rõ rằng việc tìm kiếm một tụ điện phù hợp cho bảo vệ ESD có thể khó khăn. Đối với phần này, bảo vệ lên đến các điện áp rất cao đòi hỏi một kích thước vỏ lớn là 3640, chiếm nhiều diện tích. Chẳng hạn, nếu chúng ta có một bộ kết nối I/O 40 chân và muốn có một tụ điện trên mỗi đường tín hiệu, chúng ta sẽ ưu tiên kích thước vỏ như 0402, không phải kích thước vỏ lớn 3640. Bạn có thể lắp vừa các kích thước vỏ 3640 trên các dây dẫn đến từ một bộ kết nối nguồn ở điện áp cao hơn, nhưng bạn sẽ không bao giờ có thể lắp một số lượng lớn tụ điện 3640 trên các đường tín hiệu đến từ một bộ kết nối.

Mạch tín hiệu: Đối với mạch tín hiệu, điện áp định mức của tụ điện cần phải gần với mức logic và áp dụng một tỷ lệ giảm định mức nào đó. Nói cách khác, điện áp định mức cần vượt qua điện áp DC cao nhất dự kiến trên đường dây, trong khi kích thước tụ điện cần phải khá lớn. Trong những trường hợp này, bạn có thể tìm thấy tụ điện khoảng ~100 nF trong kích thước vỏ 0402 với điện áp định mức mức logic. Tuy nhiên, những tụ điện lớn như vậy không được mong muốn do khả năng lọc tín hiệu nhanh của chúng (xem bên dưới). Một lần nữa, bạn có thể được khuyên tốt nhất là tránh sử dụng tụ điện như là phương tiện duy nhất bảo vệ ESD trên các đường tín hiệu và thay vào đó dựa vào phương pháp khác.

Thời gian phản hồi và Độ tự cảm dòng (ESL)

Lý do tiếp theo chúng tôi ưu tiên diode TVS hơn tụ điện là thời gian phản hồi và tính hai chiều của diode TVS. Thời gian phản hồi của tụ điện sẽ quan trọng trong một sự kiện ESD bởi vì, nếu bạn muốn chuyển năng lượng đó xuống đất, tụ điện cần phải sạc/xả nhanh hơn sự kiện ESD đó để cung cấp hành động lọc.

Một số diode TVS hai chiều có thể phản ứng trong khoảng picogiây khi gặp một điện áp xung nhanh. Để đạt được cùng mức độ với các tụ điện có sẵn trên thị trường sẽ yêu cầu mức dung lượng tụ điện là pF và ESL rất thấp. Những tụ điện này tồn tại, nhưng mức đánh giá điện áp của chúng thường ở mức logic, không phải ở mức kV, điều này do kích thước nhỏ của chúng (0402 hoặc 0201). Các kích thước vỏ tiêu biểu có ESL cao, vì vậy chúng không được mong muốn.

Mạch tụ điện tương đương được hiển thị ở đây tính đến việc kích thích cộng hưởng bởi một xung nhanh, bao gồm cả sự kiện ESD.

Do vấn đề về mức đánh giá điện áp, và do độ tự cảm của các tụ điện cao áp tiêu biểu yêu cầu kích thước vỏ lớn, tốt nhất là tránh sử dụng tụ điện như một phương tiện bảo vệ ESD, đặc biệt là trên các đường tín hiệu. Một lần nữa, diode TVS là một lựa chọn tốt hơn vì chúng có thể cung cấp thời gian phản hồi đủ nhanh để xử lý các sự kiện ESD cao áp, và có các diode TVS được thiết kế cho các loại tín hiệu cụ thể.

Tín Hiệu Của Bạn Cũng Được Lọc

Phải chăng sẽ tuyệt vời nếu những tụ điện này trên các đường tín hiệu chỉ lọc ESD mà không lọc tín hiệu của bạn? Thành phần bảo vệ ESD lý tưởng thực sự có thể làm điều đó là diode TVS.

Việc đặt tụ điện như một phần tử shunt xuống mặt đất trên các đường tín hiệu số cơ bản là lọc tín hiệu của bạn và hạn chế băng thông kênh có sẵn. Điều này rất không tốt cho thiết kế tốc độ cao, nơi chúng ta ideal muốn không có giới hạn băng thông. Điều trớ trêu là việc lọc tín hiệu sẽ nghiêm trọng hơn so với lọc ESD bởi vì các xung ESD điển hình không nhanh bằng hầu hết các tín hiệu tốc độ cao. Đây là một lý do khác để không sử dụng tụ điện và chỉ sử dụng diode TVS nếu có yêu cầu chịu đựng ESD trong hệ thống của bạn.

Chuyển Đổi Chậm và Đường Dây Điện

Một "chuyển đổi chậm" ở đây ám chỉ bất kỳ chuyển đổi nào có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn nhiều so với thời gian phản ứng của tụ điện. Trong trường hợp này, bạn sẽ thường thấy các tụ điện microfarad. Dựa trên giả định rằng một chuyển đổi là chậm và dựa trên nguyên tắc bảo toàn điện tích, người ta có thể đưa ra một lập luận minh họa cách tụ điện cung cấp bảo vệ ESD:

1. Giả sử chúng ta có một xung ESD V cung cấp tổng dòng điện I
2. Từ I và tổng thời gian xung, chúng ta có thể tính toán tổng lượng điện tích được cung cấp trong suốt xung ESD Q
3. Q và V xác định một dung lượng tương đương C cung cấp xung ESD
4. Nếu C được mô hình hóa như đang song song với tụ ESD của chúng ta C*, thì Q sẽ phân bổ trên C và C* cùng nhau
5. Điều này làm giảm tổng điện áp nhìn thấy tại các đầu vào của mạch được bảo vệ

Mô hình mạch tương đương được sử dụng trong lập luận này được hiển thị bên dưới.

Nếu chúng ta chỉ tính toán điện áp mới mà sẽ được quan sát sau khi điện tích hiện có được phân bổ trên tụ bảo vệ (C*) và nguồn ESD (C), chúng ta sẽ mong đợi điện áp sau đây:

Vì vậy, dung lượng cần thiết là:

Trong mô hình tái phân bố điện tích này, việc giảm điện áp ESD 5 kV xuống còn 3.3 V để bảo vệ một đường logic yêu cầu C* = 500 nF dung lượng tụ điện, giả sử nguồn ESD có dung lượng tương đương C = 330 pF. Nếu chúng ta áp dụng một tỷ lệ giảm 50%, chúng ta cần một tụ điện 1 uF trong trường hợp này. Lưu ý rằng trong tình huống thực tế, nguồn ESD có thể giống hơn với mô hình cơ thể người, bao gồm một điện trở mắc nối tiếp lớn hơn trên nguồn và dung lượng nguồn nhỏ hơn.

Điều này có tốt hay xấu? Đối với đường dây điện, bạn có thể biện minh rằng điều này phù hợp, nhưng nó không bảo vệ trong mọi tình huống lên đến điện áp chịu đựng cao. Các tụ điện lớn tiêu chuẩn của bạn sẽ bảo vệ mạch tốt hơn so với các SMD nhỏ. Trong hầu hết các trường hợp, các cơ chế bảo vệ mạch bổ sung vẫn sẽ cần thiết.

Nếu bạn thử điều này trên các đường tín hiệu, bạn có thể thấy rằng kích thước vỏ cần thiết rất lớn. Những tụ điện này cũng sẽ lọc tín hiệu một cách nghiêm trọng và tạo ra giới hạn băng thông quá mức. Tuy nhiên, nếu chân I/O trên linh kiện nhận có thể chịu được thời gian chuyển đổi micro giây trên một đường cấu hình (như một chân ENABLE trên ASIC, hoặc có thể là I2C), thì việc sử dụng tụ điện này có thể được biện minh nhưng sẽ không cung cấp bảo vệ toàn diện cho một đường tín hiệu. Một lần nữa, chỉ sử dụng diode TVS nếu có yêu cầu chịu đựng.

Nơi Tụ Điện Có Thể Hữu Ích: Các Đợt Sóng Điện Nhỏ và Sự Kiện Chuyển Mạch

Chỉ vì tụ điện không phải là lựa chọn tốt nhất cho các sự kiện ESD, không có nghĩa là chúng không hữu ích cho một số hình thức bảo vệ mạch nhất định. Các đợt sóng điện nhỏ và lọc điện áp biến thiên từ các sự kiện chuyển mạch là hai trường hợp mà tụ điện sẽ cung cấp giá trị vì chúng vẫn có thể phản ứng nhanh hơn so với các đợt sóng điện áp thấp và điện áp biến thiên thông thường.

Đợt sóng điện có thể dao động từ giá trị nhỏ đến hàng nghìn volt. Đối với các đường kết nối với nguồn điện chính hoặc nguồn cung cấp không được điều chỉnh, thường thấy một cách tiếp cận ba bước để đảm bảo nguồn điện được chỉnh lưu ổn định và các đợt sóng được kiểm soát trước khi nguồn điện được phân phối đến các thiết bị ở hạ lưu: Điều này sẽ liên quan đến các linh kiện sau:

• Ống phóng điện - Phản ứng chậm cho bảo vệ điện áp cao
• Diode TVS - Phản ứng rất nhanh với xung điện áp cao/dòng điện thấp
• Varistor - Linh kiện này thay đổi trở kháng của mình theo điện áp được áp dụng

Bạn cũng có thể thấy rơ le cảm biến điện áp và cầu chì trong các hệ thống này. Cả hai có thể được sử dụng với các thành phần mạch khác để cung cấp bảo vệ quá điện áp và bảo vệ quá dòng bằng cách mở và sau đó đặt lại một mạch được bảo vệ

Bạn sẽ thấy các linh kiện này được sử dụng trên các thiết bị bảo vệ quá dòng tại nhà; cùng một chiến lược có thể được sử dụng trong một PCB cần phải nhận điện áp chính hoặc điện áp không được điều chỉnh. Cũng sẽ có một công tắc đặt lại đóng mạch sau một sự kiện sụt áp, như được hiển thị trong ví dụ dưới đây.

Các tụ điện đầu ra trên các đường này (kết nối với một cầu chỉnh lưu) cung cấp một chức năng kép là ổn định điện áp đã chỉnh lưu và giảm bớt độ lớn của các xung chậm. Những tụ điện này thường có kích thước lớn, vì vậy chúng có thể có giá trị vỏ lớn và chịu điện áp cao, nhưng điều này đi kèm với thời gian phản hồi chậm hơn do ESL của chúng. Do đó, chúng có thể shunt một phần công suất từ các xung chậm trước khi ống khí của bạn phóng điện hoặc diode TVS của bạn bắt đầu dẫn điện. Ngược lại, hầu hết sự bảo vệ cần thiết trong các tình huống chịu điện áp cao với các xung nhanh không được cung cấp bởi các tụ điện này mà thay vào đó được cung cấp bởi danh sách các linh kiện ở trên.

Để tìm hiểu thêm về bảo vệ ESD, hãy đọc các tài nguyên sau:

• ESD là gì và nó ảnh hưởng như thế nào đến Thiết kế PCB của tôi?
• Hướng dẫn Cơ bản về Thiết kế Mạch Bảo vệ ESD cho PCB
• Sử dụng Kỹ thuật Nối đất ESD để Bảo vệ PCB khỏi Hư hại do Điện

Kết luận, tụ điện hữu ích trong những tình huống hạn chế, nơi mà các xung đột diễn ra chậm và không tạo ra điện áp/dòng điện quá cao. Các trường hợp như vậy là trong trường hợp quá điện áp hoặc nhảy vọt trong các sự kiện chuyển mạch, cơ bản là những dòng sụt nhỏ trong hệ thống điện. Các xung đột lớn hơn yêu cầu tụ điện lớn hơn, nghĩa là đây sẽ là chiến lược tốt hơn cho điện năng nhưng không mấy hiệu quả cho tín hiệu. Đối với các hình thức ESD khác, các linh kiện khác sẽ làm tốt hơn trong việc cung cấp bảo vệ toàn diện chống lại ESD.

Bất cứ khi nào bạn muốn xây dựng hệ thống điện ổn định và đáng tin cậy, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.