Dicas sobre proteção contra ESD para projetos amadores

Finalmente, estou entrando no design simples de PCB para meus projetos pessoais e estou preocupado com a proteção contra ESD em partes expostas da minha placa, como portas USB. Sei como as pulseiras funcionam e compreendo coisas como diodos de grampo nas entradas modernas de CMOS IC (e muitos artigos que encontrei discutem basicamente apenas essas coisas), mas estou mais curioso sobre os dispositivos discretos de proteção contra ESD. Como devo escolhê-los e usá-los? Algum tutorial geral que discute o espectro de dispositivos e como aplicá-los? Encontrei alguns artigos muito bons discutindo como, por exemplo, os TVSs funcionam, mas em quais situações eles são uma solução apropriada, por que os escolheria em relação a outros dispositivos etc.

Essa é uma pergunta incrível, pois aborda duas coisas que os 'iniciantes' (se eu posso) geralmente não têm um bom pressentimento:

• Quão importante é a proteção e o condicionamento elétricos
• Onde colocar proteção elétrica

Aqui está o que você deveria fazer:

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

Quaisquer linhas de E / S que saem da sua placa podem estar conectadas a uma fonte de ESD - seja outro dispositivo ou uma pessoa. A maneira mais fácil de proteger saídas puras é protegê-las com um gate (várias partes das séries 74 e 4000 para fazer isso) ou, no caso de uma saída analógica, um opamp. Para entradas puras, convém usar um resistor da série zener / TVS + como a maneira mais fácil de proteger essas linhas.

No entanto, você também deve ter em mente que a maioria, se não todos, microcontroladores e outros dispositivos que você pode querer usar têm proteção ESD integrada, às vezes coisas realmente muito boas. Eles têm proteção (micro) zener e schottky-to-ground / schottky-to-Vcc, que basicamente atendem a todas as suas preocupações. Para aprimorar seu projeto, você ainda pode querer adicionar resistores em série de cerca de 1kohm nas linhas de saída e entrada - se isso não afetar a operação.

Uma palavra de aviso: o fato de todas as entradas / saídas do MCU CMOS terem proteção nelas não significa que todas as saídas tenham essa proteção. Por exemplo, as saídas de dreno aberto (geralmente usadas para periféricos I2C) são notoriamente sensíveis a ESD e exigem proteção de entrada adicional.

Também são muito sensíveis ao ESD as linhas USB. No entanto, um zener padrão de pântano e especialmente um TVS não serão suficientes devido à capacitância comparativamente alta desses dispositivos. Barramentos de alta velocidade requerem diodos de proteção especializados, por exemplo, NXP PRTR5V0U4D. Esses dispositivos são apenas diodos schottky que vão para os trilhos de energia; portanto, você também precisa proteger contra sobretensão a fonte de alimentação, caso ainda não o tenha feito!

You should protect and condition all incoming power lines

As linhas de energia são de longe o seu pior inimigo quando se trata de eventos destrutivos. Obviamente, um mau funcionamento da sua placa pode causar excesso de corrente e causar incêndios - é para isso que usamos os fusíveis. Sempre desligue as placas se você espera que esse cenário seja possível. Não é provável - apenas a possibilidade é suficiente. Não se preocupe com a classificação do fusível, pois não precisa ser totalmente compatível com o consumo atual esperado de sua placa. A única função dos fusíveis é evitar incêndios , portanto, certifique-se de fazer isso!

No entanto, a alta corrente contínua não é a única coisa que pode acontecer com as linhas de energia. As linhas de energia de entrada geralmente são fios longos com alta indutância associada - geralmente na ordem de µH ou dezenas de µH. Se você tem um aplicativo que consome 1A, isso significa que, em estado estacionário, essa indutância (parasita) conterá$E=\frac{1}{2}LI^2$, que será da ordem de µJ com esta linha de energia. Se um usuário desconectar repentinamente a linha de energia, o caminho atual está quebrado, mas ainda há essa energia na linha de energia que ele precisa perder. A maneira como essa energia é descarregada é através de uma faísca que acontece logo após você desconectar o dispositivo - provavelmente você já viu esse 'chute indutivo' antes de conectar ou desconectar dispositivos. Embora muitas vezes tenha apenas entre 1 e 100µJ de energia, quando descarregada em um barramento de baixa capacitância, isso pode causar picos perigosos de alta tensão que danificam a microeletrônica.

É por isso que nas linhas de energia, é recomendável incluir um TVS ou MOV. Obviamente, alguma capacitância a granel também é muito bem-vinda.

On-board protection and conditioning is very seldomly necessary

Os iniciantes geralmente ficam totalmente loucos com fusíveis e dispositivos de proteção em todos os lugares. Isso não é necessário, especialmente se não houver como um usuário ou outra fonte de ESD alguma vez toque nessas linhas. O mesmo vale para a proteção EMI - geralmente apenas não é necessária, e se você tiver um problema EMI, geralmente há maneiras melhores de resolvê-las (como diminuir a impedância de fonte / carga com terminação ou buffer).