Kiat tentang perlindungan ESD untuk desain hobi

Saya akhirnya masuk ke desain PCB sederhana untuk proyek pribadi saya, dan saya khawatir tentang perlindungan ESD pada bagian papan saya yang terbuka seperti port USB. Saya tahu bagaimana tali pergelangan tangan bekerja dan saya memahami hal-hal seperti dioda penjepit pada input IC CMOS modern (dan banyak artikel yang saya temukan pada dasarnya hanya membahas hal-hal itu), tetapi saya lebih ingin tahu tentang perangkat perlindungan ESD terpisah. Bagaimana saya harus memilih mereka dan menggunakannya? Adakah tutorial umum yang membahas spektrum perangkat dan cara menerapkannya? Saya telah menemukan beberapa artikel yang cukup bagus membahas bagaimana, misalnya, TVSes bekerja, tetapi dalam situasi apa mereka merupakan solusi yang tepat, mengapa saya memilih mereka daripada perangkat lain, dll.

Ini adalah pertanyaan yang luar biasa karena menyentuh dua hal yang 'pemula' (jika saya bisa) sering tidak memiliki perasaan yang baik untuk:

• Seberapa penting perlindungan dan pengkondisian listrik
• Di mana menempatkan perlindungan listrik

Inilah yang harus Anda lakukan:

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

Setiap jalur I / O yang keluar dari papan Anda mungkin terhubung ke sumber ESD - baik itu perangkat lain atau orang. Cara termudah untuk melindungi output murni adalah dengan buffer mereka dengan gerbang (banyak 74 dan 4000 bagian seri untuk melakukan ini), atau dalam kasus keluaran analog opamp. Untuk input murni, Anda ingin menggunakan resistor seri zener / TVS + sebagai cara termudah untuk melindungi saluran tersebut.

Namun, Anda juga harus ingat bahwa sebagian besar, jika tidak semua, mikrokontroler dan perangkat lain yang mungkin ingin Anda gunakan memiliki perlindungan ESD bawaan, terkadang hal-hal yang benar-benar bagus. Mereka memiliki perlindungan (mikro) zener dan schottky-to-ground / schottky-to-Vcc, yang pada dasarnya menangani semua kekhawatiran Anda. Untuk menyempurnakan desain Anda, Anda mungkin masih ingin menambahkan resistor seri sekitar 1kohm pada saluran keluar dan masuk - jika ini tidak mempengaruhi operasi.

Sebuah kata peringatan: fakta bahwa semua MCU CMOS in / output memiliki perlindungan pada mereka tidak berarti bahwa semua output memiliki perlindungan ini. Misalnya, keluaran saluran terbuka (sering digunakan untuk perangkat I2C) sangat sensitif terhadap ESD dan membutuhkan perlindungan input tambahan.

Juga sangat sensitif terhadap ESD adalah jalur USB. Namun, zener standar rawa dan terutama TVS tidak akan cukup karena kapasitansi yang relatif tinggi dari perangkat ini. Bus berkecepatan tinggi membutuhkan dioda perlindungan spesialis, misalnya NXP PRTR5V0U4D. Perangkat-perangkat ini hanyalah dioda schottky yang menuju ke rel listrik Anda, jadi Anda perlu tambahan tegangan melindungi catu daya juga jika Anda belum melakukannya!

You should protect and condition all incoming power lines

Sejauh ini, saluran listrik adalah musuh terburuk Anda dalam hal peristiwa yang merusak. Tentu saja, kerusakan pada papan Anda dapat menyebabkan arus berlebih mengalir dan menyebabkan kebakaran - inilah yang kami gunakan untuk sekering. Selalu pisahkan papan Anda jika Anda mengharapkan skenario seperti itu menjadi mungkin. Tidak mungkin - hanya kemungkinan sudah cukup. Jangan khawatir tentang peringkat sekering, itu tidak perlu dicocokkan secara ketat dengan undian papan saat ini yang diharapkan.Satu-satunya fungsi sekering adalah untuk mencegah kebakaran , jadi pastikan ia melakukan itu!

Namun, arus tinggi kontinu bukan satu-satunya hal yang dapat terjadi dengan saluran listrik. Saluran listrik yang masuk sering berupa kabel panjang dengan induktansi tinggi terkait - seringkali dalam urutan µH atau puluhan µH. Jika Anda memiliki aplikasi yang mengkonsumsi 1A, ini berarti bahwa dalam keadaan tunak induktansi (parasit) ini akan mengandung$E=\frac{1}{2}LI^2$, yang akan berada di urutan μJ dengan saluran listrik ini. Jika seorang pengguna sekarang tiba-tiba memutus saluran listrik, jalur saat ini terputus tetapi masih ada energi ini di saluran listrik yang harus hilang. Cara energi ini dilepaskan adalah melalui percikan yang terjadi tepat setelah Anda mencabut perangkat - Anda mungkin telah melihat percikan 'tendangan induktif' ini sebelumnya saat menyambungkan atau melepaskan perangkat. Meskipun sering hanya antara 1-100 μJ energi, ketika dikeluarkan ke bus berkapasitas rendah ini dapat menyebabkan lonjakan tegangan tinggi yang berbahaya yang merusak mikroelektronika.

Inilah sebabnya mengapa pada saluran listrik, TVS atau MOV adalah praktik yang baik untuk dimasukkan. Tentu saja, beberapa kapasitansi massal juga sangat diterima.

On-board protection and conditioning is very seldomly necessary

Pemula sering benar-benar gila dengan sekering dan perangkat perlindungan di mana-mana. Ini tidak perlu, terutama jika tidak ada pengguna atau sumber ESD lain yang akan menyentuh garis-garis ini. Hal yang sama berlaku untuk perlindungan EMI - sering kali tidak perlu, dan jika Anda memiliki masalah EMI biasanya ada cara yang lebih baik untuk menyelesaikan ini (seperti mengurangi impedansi sumber / beban dengan penghentian atau penyangga).