Recomendações de layout de diodo ESD

Eu tenho um conector de E / S DB25, através do orifício. Os pinos se conectam a um SMT MCU, que eu quero proteger contra ESD, especificamente IEC 61000-4-2. Quero usar diodos SMT Zener para proteger os pinos.

Estou considerando vários layouts. Eu imagino que o layout ideal teria os diodos entre o DB25 e o MCU. Dessa maneira, um evento ESD pode ser desviado para o chão antes de chegar ao MCU

MCU <-> diodos <-> DB25

No entanto, eu gostaria de aproveitar os orifícios no DB25 para simplificar o roteamento e reduzir o número de vias necessárias. No entanto, ao fazer isso, os diodos terminarão no "outro lado" do DB25.

Diodos MCU <-> DB25 <->

Isso é uma má ideia? Estou um pouco preocupado se um ataque ESD suficientemente rápido pode "se dividir" e chegar ao MCU antes que os diodos comecem a ser totalmente conduzidos.

Se for esse o caso, seria atenuado se os rastreamentos do MCU <-> DB25 fossem executados na camada inferior, enquanto os rastreamentos do DB25 <-> Diodos estivessem na camada superior? As vias adicionadas entre o MCU e o DB25 incentivariam a corrente ESD a passar pelo diodo?

pcb-design esd

— ajs410
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Respostas:

É difícil lidar com ESD, e as soluções são mais magia negra do que ciência. Dito isto, o que você deseja é que a impedância à terra seja menor que a impedância do chip que você está protegendo. Existem várias maneiras de fazer isso, e a solução mais prática provavelmente envolverá várias dessas coisas ao mesmo tempo.

A colocação e o roteamento de traços são um bom começo. Como você observou, os diodos MCU <-> <-> DB25 são provavelmente os melhores, embora os diodos MCU <-> DB25 <-> possam funcionar. Para fazê-lo funcionar, os traços dos diodos devem ser espessos e curtos. Os traços no MCU devem ser longos e finos. Mas, IMHO, apenas fazer isso não é suficiente para um produto comercial.
Coloque algum tipo de resistor ou cordão de ferrite entre o DB25 / Diodos e o MCU. Eu prefiro resistores para isso, porque sua impedância é mais previsível em altas frequências, mas um cordão poderia funcionar também. Um resistor de cerca de 10 a 50 ohms é bom, dependendo da natureza dos sinais que você está executando. Esse resistor / cordão aumentará a impedância para o MCU, guiando o ESD para aterrar de uma maneira diferente.
Coloque um capacitor em paralelo com os diodos. Um valor de 3 nF é ideal para proteção contra ESD. Mas, dependendo do seu sinal, você pode precisar usar um sinal menor ou maior. Ou nenhum. O maior com o qual você pode se safar também reduzirá os problemas de EMI. A função básica da tampa é absorver rapidamente o choque ESD e reemitê-lo mais lentamente e com uma voltagem menor. Se a tampa for grande o suficiente, o diodo não será necessário. Essa tampa também forma um filtro RC com o item 2 acima e impede que a EMI entre ou saia da caixa.
Conecte a blindagem do DB25 ao terra do chassi e verifique se o chassi é uma boa blindagem.

Recentemente, tive um problema com um dispositivo USB que falhava sempre que um zap de ESD acontecia a menos de 2 metros da caixa. No final, tive que conectar o shell USB ao chassi, adicionar resistores de 33 ohm às linhas de dados USB, adicionar tampas e diodos. Até fazer tudo o que eu ainda experimentava falhas. Se eu deixasse um desses, qualquer um, isso falharia. Agora ele é sólido, mesmo com centelhas de 1 polegada de comprimento diretamente no chassi.

— davidcary
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Você teve que adicionar 33 ohms às linhas de dados USB? E tampões e diodos? Isso não faria coisas terríveis no diagrama de olho USB?

— ajs410

Não foi ruim. Este era o USB 1.0, não a versão 2 ou 3. Portanto, a taxa de dados não era ruim. Se bem me lembro, os limites eram de apenas 22 pF e os diodos eram <1 pF. Enquanto eu estava cético em relação a 33 ohms, vi os mesmos resistores usados no esquema da placa de demonstração da TI MSP430. No final, funciona lindamente.

Apenas curioso. Como você gerou esse "zap" ESD? Quero dizer, existe alguma maneira previsível e consistente de gerar um zap?

— Earlz

No passado, eu usei vários métodos para gerar um zap. De longe, o método mais confiável era uma arma estática. Esta é uma peça cara de equipamento feita para esta tarefa. Também usei isqueiros piezoelétricos para churrasco com botão de pressão. Não é tão previsível, mas menos de US $ 10. Mas o zap que eu estava fazendo algumas semanas atrás era simplesmente uma descarga eletrostática normal criada devido à umidade super baixa aqui no Colorado. Novamente, não tão previsível, mas super abundante.

Estou curioso, você tinha um plano de solo interno sólido em sua aplicação?

— ajs410

Para começar, eu usaria diodos especiais de supressão de ESD em vez de diodos zener comuns; eles são mais rápidos e suportam melhor a alta tensão.

Suas preocupações com o posicionamento relativo são justificadas. A corrente pode realmente se dividir e atingir o diodo de proteção e o controlador. Portanto, sempre coloque o diodo entre o conector e o controlador e não os coloque em um rastreio de stub, pois você criará o mesmo problema. Coloque o diodo ESD no próprio rastreio.

Certifique-se de que a distância e a resistência de um plano de aterramento sejam o mais curtas possível. Quanto maior a área do solo, maior sua capacidade e menor a tensão restante.
Não conte muito na terra, está muito longe; uma descarga pode zapear todo o seu CMOS antes de atingir a Terra.

$\Omega$ O jumper reduz a corrente de descarga, que, de outra forma, acopla a traços próximos e induz tensões excessivas lá. Os resultados dos testes de ESD foram bons.

— stevenvh
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Ouvi falar do "pára-raios" referido como uma brecha de faísca, um pedaço de cobre sem máscara. Eu li que essa é uma técnica muito boa para muitos kV, especialmente em combinação com algo um pouco "mais rápido" para capturar as coisas de poucos kV. O cobre nu também pode adicionar um pouco de capacitância parasita, que pode ou não pode ser uma preocupação, dependendo da aplicação (para mim, não é)

— ajs410

@ ajs410 - Se os traços para a lacuna de faísca forem pontiagudos (como deveriam ser), a capacitância estará na faixa femtofarad, não consigo pensar em muitas aplicações em que isso causaria problemas.

— Stevenvh