Recomendaciones para el diseño de diodos ESD

Question

Tengo un conector de E/S DB25, pasante. Los pines se conectan a una MCU SMT, que quiero proteger de la ESD, concretamente de la norma IEC 61000-4-2. Quiero utilizar diodos Zener SMT para proteger los pines.

Estoy considerando varios diseños. Imagino que la disposición óptima tendría los diodos entre el DB25 y la MCU. De esta manera, un evento ESD puede ser derivado a tierra antes de que llegue a la MCU

MCU <-> Diodos <-> DB25

Sin embargo, me gustaría aprovechar los agujeros pasantes del DB25 para simplificar el enrutamiento y reducir el número de vías que necesitaría. Sin embargo, al hacerlo, los diodos terminarán en el "otro lado" del DB25.

MCU <-> DB25 <-> Diodos

¿Es una mala idea? Me preocupa un poco si un golpe de ESD lo suficientemente rápido podría "dividirse" y llegar a la MCU antes de que los diodos comiencen a conducir completamente.

Si este es el caso, ¿se mitigaría si las trazas MCU <-> DB25 estuvieran en la capa inferior, mientras que las trazas DB25 <-> Diodos estuvieran en la capa superior? ¿Las vías añadidas entre la MCU y el DB25 harían que la corriente ESD pasara por el diodo?

Answer 1

La ESD es difícil de tratar, y las soluciones son más magia negra que ciencia. Dicho esto, lo que quieres es que la impedancia a tierra sea menor que la impedancia al chip que estás protegiendo. Hay varias formas de hacerlo, y la solución más práctica probablemente implique varias de estas cosas a la vez.

1. La colocación y el enrutamiento de las trazas es un buen comienzo. Como has señalado, MCU <-> Diodos <-> DB25 es probablemente lo mejor, aunque MCU <-> DB25 <-> Diodos puede funcionar. Para que funcione, las trazas a los diodos deben ser gruesas y cortas. Las trazas a la MCU deben ser largas y finas. Pero, en mi opinión, sólo hacer esto no es suficiente para un producto comercial.

2. Poner algún tipo de resistencia o cuenta de ferrita entre el DB25/Diodos y la MCU. Yo prefiero las resistencias para esto porque su impedancia es más predecible a altas frecuencias, pero una perla también podría funcionar. Una resistencia de alrededor de 10 a 50 ohmios es buena, dependiendo de la naturaleza de las señales que está ejecutando. Esta resistencia/perla aumentará la impedancia a la MCU, guiando la ESD a tierra por una vía diferente.

3. Poner un condensador en paralelo con los diodos. Un valor de 3 nF es ideal para la protección ESD. Pero dependiendo de su señal, puede que tenga que utilizar uno más pequeño o más grande, o ninguno. El más grande que puedas usar también reducirá tus problemas de EMI. La función básica del capuchón es absorber rápidamente el choque de la ESD y reemitirlo más lentamente y con una tensión menor. Si la tapa es lo suficientemente grande, el diodo no es necesario. Esta tapa también forma un filtro RC con el #2 arriba y evita que la EMI entre o salga de la caja.

4. Conecte la pantalla del DB25 a la tierra del chasis, y asegúrese de que su chasis tiene una buena pantalla.

Recientemente tuve un problema con un dispositivo USB que se bloqueaba cada vez que se producía un zapping de ESD a menos de 2 metros de la caja. Al final tuve que conectar la carcasa del USB al chasis, añadir resistencias de 33 ohmios a las líneas de datos del USB, añadir tapones y diodos. Hasta que hice todo eso seguí experimentando fallos. Si dejaba uno de esos, cualquiera, fallaba. Ahora funciona sólidamente, incluso con chispas de 1 pulgada de largo hasta el chasis.

Answer 2

Para empezar, yo utilizaría un Diodos de supresión de ESD en lugar de los comunes diodos zener; son más rápidos y soportan mejor la alta tensión.

Su preocupación por la ubicación relativa está justificada. En efecto, la corriente puede dividirse y llegar tanto al diodo de protección como al regulador. Por lo tanto, coloque siempre el diodo entre el conector y el controlador, y no los coloque en una traza de la misma, porque creará el mismo problema. Coloque el diodo ESD en la propia traza.

Asegúrate de que la distancia y la resistencia a un plano de tierra sean lo más cortas posible. Cuanto mayor sea la superficie de tierra, mayor será su capacidad y menor la tensión restante.
No cuentes demasiado con la tierra, está demasiado lejos; una descarga puede acabar con todo tu CMOS antes de que llegue a la tierra.

Si es posible, intente hacer algún tipo de "pararrayos", que puede ser una traza desnuda que termine a 0,1 mm de una traza de tierra también desnuda, para que una descarga ESD pueda chispear sobre el hueco.
En un proyecto teníamos una pequeña hendidura en la caja que exponía la placa de circuito impreso a una distancia de 2,5 mm hacia el exterior de la caja, en un lugar que sería tocado por el usuario (botón). Así que temía que las descargas ESD pudieran pasar a través de la hendidura. Quité todo el cobre que había cerca y coloqué una resistencia de 0603, con un extremo conectado a tierra y el otro debajo de la hendidura. La idea era que, si no podemos evitar una descarga, al menos sabemos por dónde pasa, así que la resistencia debería funcionar como un pararrayos. Una resistencia en lugar de un 0 \$\Omega\$ reduce la corriente de descarga, que de otro modo se acoplaría a las trazas cercanas e induciría tensiones excesivas en ellas. Los resultados de las pruebas de ESD fueron buenos.