Recomendaciones de diseño de diodos ESD

10

Tengo un conector de E / S DB25, a través del orificio. Los pines se conectan a un SMT MCU, que quiero proteger de ESD, específicamente IEC 61000-4-2. Quiero usar diodos SMT Zener para proteger los pines.

Estoy considerando varios diseños. Me imagino que el diseño óptimo tendría los diodos entre el DB25 y el MCU. De esta manera, un evento ESD puede derivarse a tierra antes de llegar a la MCU

MCU <-> Diodos <-> DB25

Sin embargo, me gustaría aprovechar los agujeros pasantes en el DB25 para simplificar el enrutamiento y reducir la cantidad 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 ataque ESD lo suficientemente rápido podría "dividirse" y llegar a la MCU antes de que los diodos comiencen a conducir por completo.

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

ajs410
fuente

Respuestas:

11

Es difícil tratar con ESD, 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 hacer esto, y la solución más práctica probablemente involucrará varias de estas cosas a la vez.

  1. La colocación y el enrutamiento de trazas es un buen comienzo. Como notó, MCU <-> Diodos <-> DB25 es probablemente el mejor, aunque MCU <-> DB25 <-> Diodos puede funcionar. Para que funcione, las trazas a los diodos deben ser gruesas y cortas. Los rastros a la MCU deben ser largos y delgados. Pero, en mi humilde opinión, solo hacer esto no es suficiente para un producto comercial.

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

  3. Pon un condensador en paralelo con los diodos. Un valor de 3 nF es ideal para la protección contra ESD. Pero dependiendo de su señal, es posible que tenga que usar una más pequeña o más grande, o ninguna. Lo más grande que puede salirse con la suya también reducirá sus problemas de EMI. La función básica de la tapa es absorber rápidamente el choque ESD y volver a emitirlo más lentamente y con un voltaje más pequeño. Si la tapa es lo suficientemente grande, entonces no se requiere el diodo. Esta tapa también forma un filtro RC con el n. ° 2 anterior y evita que EMI entre o salga de la caja.

  4. Conecte el escudo del DB25 a la tierra del chasis y asegúrese de que su chasis sea un buen escudo.

Recientemente tuve un problema con un dispositivo USB que se bloqueaba cada vez que ocurría una descarga de ESD a menos de 8 pies de la caja. Al final tuve que conectar la carcasa USB al chasis, agregar resistencias de 33 ohmios a las líneas de datos USB, agregar tapas y diodos. Hasta que hice todo eso, aún experimentaba fallas. Si dejara uno de esos, cualquiera, fallaría. Ahora funciona de manera sólida, incluso con chispas de 1 pulgada de largo directamente al chasis.

davidcary
fuente
1
¿Tuviste que agregar 33 ohmios a las líneas de datos USB? ¿Y tapas y diodos? ¿No haría eso cosas terribles al diagrama de ojo USB?
ajs410 01 de
1
No estuvo mal. Esto era USB 1.0, no la versión 2 o 3. Por lo tanto, la velocidad de datos no era mala. Si no recuerdo mal, las tapas tenían solo 22 pF y los diodos tenían <1 pF. Si bien era escéptico sobre los 33 ohmios, vi las mismas resistencias utilizadas en un esquema de la placa de demostración TI MSP430. Al final, funciona de maravilla.
Sólo curioso. ¿Cómo generó este "zap" de ESD? Quiero decir, ¿hay alguna forma predecible y consistente de generar un zap?
Earlz
1
En el pasado he usado varios métodos para generar un zap. Con mucho, el método más confiable fue un arma estática. Este es un equipo costoso hecho para esta tarea. También he utilizado encendedores piezoeléctricos para parrillas de barbacoa. No tan predecible, pero menos de US $ 10. Pero el zap que estaba haciendo hace un par de semanas fue simplemente una ESD normal creada debido a la humedad extremadamente baja aquí en Colorado. De nuevo, no tan predecible pero súper abundante.
Tengo curiosidad, ¿tenía un plano de tierra interno sólido en su aplicación?
ajs410
3

Para empezar, usaría diodos especiales de supresión de ESD en lugar de diodos zener comunes; son más rápidos y resisten mejor el alto voltaje.

Sus preocupaciones sobre la ubicación relativa están justificadas. La corriente puede dividirse y alcanzar tanto el diodo de protección como el controlador. Por lo tanto, coloque siempre el diodo entre el conector y el controlador, y no los coloque en un trazo corto, ya que creará el mismo problema. Coloque el diodo ESD en la traza misma.

Asegúrese de que la distancia y la resistencia a un plano de tierra sean lo más cortas posible. Cuanto mayor es el área de tierra, mayor es su capacidad y menor es el voltaje restante.
No cuentes demasiado en la tierra, eso está muy lejos; una descarga puede acabar con todos tus CMOS antes de que llegue a la tierra.


Ωel puente reduce la corriente de descarga, que de lo contrario se acoplaría a trazas cercanas e induciría voltajes excesivos allí. Los resultados de las pruebas de ESD estaban bien.

stevenvh
fuente
He oído hablar de la "pararrayos" conocida como una brecha de chispa, una pieza de cobre sin máscara. He leído que esta es una muy buena técnica para muchos kV, especialmente en combinación con algo un poco "más rápido" para atrapar los pocos kV. El cobre desnudo también puede agregar algo de capacitancia parásita, lo que puede o no ser una preocupación dependiendo de la aplicación (para mí, no lo es)
ajs410
@ ajs410 - Si los rastros a la brecha de chispa son puntiagudos (como deberían ser) la capacitancia estará en el rango de femtofaradios, no puedo pensar en muchas aplicaciones en las que esto causaría problemas.
stevenvh