Consejos sobre protección ESD para diseños de aficionados

Finalmente me estoy metiendo en un diseño simple de PCB para mis proyectos personales, y me preocupa la protección contra ESD en las partes expuestas de mi placa, como los puertos USB. Sé cómo funcionan las muñequeras y entiendo cosas como los diodos de pinza en las entradas modernas de CMOS IC (y muchos artículos que he encontrado básicamente solo discuten esas cosas), pero tengo más curiosidad sobre los dispositivos de protección ESD discretos. ¿Cómo debo elegirlos y usarlos? ¿Algún tutorial general que discuta el espectro de dispositivos y cómo aplicarlos? He encontrado algunos artículos bastante buenos que discuten cómo, por ejemplo, funcionan los TVS, pero en qué situaciones son una solución adecuada, por qué los elegiría en lugar de otros dispositivos, etc.

Esta es una pregunta increíble porque toca dos cosas que los "principiantes" (si puedo) a menudo no tienen un buen presentimiento:

• Cuán importante es la protección eléctrica y el acondicionamiento
• Donde poner protección eléctrica

Esto es lo que deberías hacer:

You should protect any outgoing and incoming electrical signals that a user will touch

Cualquier línea de E / S que salga de su placa puede estar conectada a una fuente de ESD, ya sea otro dispositivo o una persona. La manera más fácil de proteger las salidas puras es almacenarlas en un búfer con una compuerta (muchas partes de las series 74 y 4000 para hacer esto), o en el caso de una salida analógica, un opamp. Para entradas puras, querrá usar una resistencia de la serie zener / TVS + como la forma más fácil de proteger tales líneas.

Sin embargo, también debe tener en cuenta que la mayoría, si no todos, los microcontroladores y otros dispositivos que es posible que desee utilizar tienen protección ESD incorporada, a veces cosas realmente buenas. Tienen protección (micro) zener y schottky-to-ground / schottky-to-Vcc, que básicamente se ocupa de todas sus preocupaciones. Para reforzar su diseño, es posible que aún desee agregar resistencias en serie de aproximadamente 1 kohm en las líneas salientes y entrantes, si esto no afecta la operación.

Una advertencia: el hecho de que todas las entradas / salidas MCU CMOS tengan protección no significa que todas las salidas tengan esta protección. Por ejemplo, las salidas de drenaje abierto (a menudo utilizadas para periféricos I2C) son notoriamente sensibles a ESD y requieren protección de entrada adicional.

También son muy sensibles a ESD las líneas USB. Sin embargo, un zener estándar pantanoso y especialmente un TVS no serán suficientes debido a la capacidad relativamente alta de estos dispositivos. Los buses de alta velocidad requieren diodos de protección especializados, por ejemplo NXP PRTR5V0U4D. Estos dispositivos son solo diodos schottky que van a sus rieles de alimentación, por lo que también necesita proteger contra sobretensiones la fuente de alimentación si aún no lo ha hecho.

You should protect and condition all incoming power lines

Las líneas eléctricas son, con mucho, su peor enemigo cuando se trata de eventos destructivos. Por supuesto, un mal funcionamiento en su placa puede hacer que fluya un exceso de corriente y provocar incendios; para eso utilizamos los fusibles. Siempre fusione sus tableros si espera que tal escenario sea posible. No es probable, solo la posibilidad es suficiente. No se preocupe por la capacidad del fusible, no es necesario que coincida estrechamente con el consumo actual esperado de su tablero. La única función de los fusibles es prevenir incendios , ¡así que asegúrese de hacerlo!

Sin embargo, la alta corriente continua no es lo único que puede suceder con las líneas eléctricas. Las líneas de alimentación entrantes son a menudo cables largos con alta inductancia asociada, a menudo del orden de µH o decenas de µH. Si tiene una aplicación que consume 1A, esto significa que en estado estable esta inductancia (parasitaria) contendrá$E=\frac{1}{2}LI^2$, que estará en el orden de µJ con esta línea de alimentación. Si un usuario ahora desconecta repentinamente la línea de alimentación, la ruta actual se interrumpe pero todavía hay energía en la línea de alimentación que debe perder. La forma en que se descarga esta energía es a través de una chispa que ocurre justo después de desconectar el dispositivo; probablemente haya visto esta chispa de 'patada inductiva' antes de conectar o desconectar dispositivos. Aunque a menudo es solo entre 1 y 100 µJ de energía, cuando se descarga en un bus de baja capacitancia, esto puede causar picos peligrosos de alto voltaje que dañan la microelectrónica.

Es por eso que en líneas eléctricas, un TVS o MOV es una buena práctica para incluir. Por supuesto, algo de capacitancia masiva también es bienvenida

On-board protection and conditioning is very seldomly necessary

Los principiantes a menudo se vuelven completamente locos con fusibles y dispositivos de protección en todas partes. Esto no es necesario, especialmente si no hay forma de que un usuario u otra fuente de ESD toque estas líneas. Lo mismo ocurre con la protección EMI, a menudo simplemente no es necesario, y si tiene un problema EMI, generalmente hay mejores formas de resolverlos (como disminuir la impedancia de fuente / carga con terminación o almacenamiento en búfer).