Tipps zum ESD-Schutz für Bastlerentwürfe

Endlich beschäftige ich mich mit dem einfachen PCB-Design für meine persönlichen Projekte und befasse mich mit dem ESD-Schutz an exponierten Stellen meiner Platine, wie z. B. USB-Anschlüssen. Ich weiß, wie Armbänder funktionieren, und ich verstehe Dinge wie Klemmdioden an modernen CMOS-IC-Eingängen (und viele Artikel, die ich gefunden habe, behandeln im Grunde nur diese Dinge), aber ich bin neugieriger auf diskrete ESD-Schutzvorrichtungen. Wie soll ich sie auswählen und verwenden? Gibt es allgemeine Tutorials, in denen das Spektrum der Geräte und deren Anwendung erläutert wird? Ich habe einige ziemlich gute Artikel gefunden, in denen es darum geht, wie beispielsweise TV-Geräte funktionieren, aber in welchen Situationen sind sie eine angemessene Lösung, warum sollte ich sie anderen Geräten vorziehen usw.

Dies ist eine großartige Frage, weil sie zwei Dinge berührt, für die Anfänger (wenn ich darf) oft kein gutes Gefühl haben:

• Wie wichtig elektrischer Schutz und Konditionierung sind
• Wo ist der elektrische Schutz anzubringen?

Folgendes sollten Sie tun:

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

Alle E / A-Leitungen, die Ihre Karte verlassen, können mit einer ESD-Quelle verbunden sein - sei es ein anderes Gerät oder eine Person. Der einfachste Weg, reine Ausgänge zu schützen, besteht darin, sie mit einem Gate (viele Teile der Serien 74 und 4000) oder im Fall eines analogen Ausgangs mit einem Opamp zu puffern. Für reine Eingänge sollten Sie einen Widerstand der Serie Zener / TVS + verwenden, um solche Leitungen am einfachsten zu schützen.

Sie sollten jedoch auch bedenken, dass die meisten, wenn nicht alle Mikrocontroller und andere Geräte, die Sie verwenden möchten, einen integrierten ESD-Schutz haben, manchmal wirklich sehr, sehr gute Dinge. Sie verfügen sowohl über einen (Mikro-) Zener- als auch einen Schutz von Schottky-to-Ground / Schottky-to-Vcc, der sich im Grunde um alle Ihre Sorgen kümmert. Um Ihr Design zu verbessern, möchten Sie möglicherweise noch Serienwiderstände von ca. 1 kOhm für ausgehende und eingehende Leitungen hinzufügen - sofern dies den Betrieb nicht beeinträchtigt.

Ein Wort der Warnung: Die Tatsache, dass alle MCU-CMOS-Ein- / Ausgänge geschützt sind, bedeutet nicht, dass alle Ausgänge diesen Schutz haben. Open-Drain-Ausgänge (häufig für I2C-Peripheriegeräte verwendet) sind bekanntermaßen ESD-empfindlich und erfordern zusätzlichen Eingangsschutz.

Ebenfalls sehr empfindlich gegen ESD sind USB-Leitungen. Ein Sumpf-Standard-Zener und insbesondere ein TVS werden jedoch aufgrund der vergleichsweise hohen Kapazität dieser Geräte nicht ausreichen. Hochgeschwindigkeitsbusse benötigen spezielle Schutzdioden, z. B. NXP PRTR5V0U4D. Bei diesen Geräten handelt es sich nur um Schottky-Dioden, die an Ihre Stromschienen angeschlossen werden. Sie müssen also auch die Stromversorgung durch Überspannung schützen, wenn Sie dies noch nicht getan haben!

You should protect and condition all incoming power lines

Stromleitungen sind bei weitem Ihr schlimmster Feind, wenn es um zerstörerische Ereignisse geht. Natürlich kann eine Fehlfunktion auf Ihrem Board dazu führen, dass übermäßiger Strom fließt und Brände verursacht werden - dafür verwenden wir Sicherungen. Schalten Sie Ihre Platinen immer aus, wenn Sie ein solches Szenario erwarten. Nicht wahrscheinlich - nur die Möglichkeit ist genug. Sorgen Sie sich nicht um die Sicherungsstärke, sie muss nicht genau an die erwartete Stromaufnahme Ihres Boards angepasst werden. Die einzige Funktion von Sicherungen besteht darin, Brände zu verhindern. Stellen Sie also sicher, dass dies der Fall ist!

$E=\frac{1}{2}LI^2$, die mit dieser Stromleitung in der Größenordnung von µJ liegen wird. Wenn ein Benutzer jetzt plötzlich die Stromleitung trennt, ist der Strompfad unterbrochen, aber es ist immer noch diese Energie in der Stromleitung, die er verlieren muss. Die Art und Weise, wie diese Energie entladen wird, geschieht über einen Funken, der unmittelbar nach dem Trennen des Geräts auftritt. Wahrscheinlich haben Sie diesen "induktiven Kick" -Funken bereits beim Anschließen oder Trennen von Geräten gesehen. Auch wenn es oft nur zwischen 1 und 100 µJ Energie gibt, kann dies bei Entladung in einen Bus mit niedriger Kapazität gefährliche Hochspannungsspitzen verursachen, die die Mikroelektronik beschädigen.

Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, ein Fernsehgerät oder einen MOV in Stromleitungen einzuschließen. Natürlich sind auch einige Volumenkapazitäten sehr willkommen.

On-board protection and conditioning is very seldomly necessary

Anfänger sind oft total verrückt nach Sicherungen und Schutzvorrichtungen. Dies ist nicht erforderlich, insbesondere wenn ein Benutzer oder eine andere ESD-Quelle diese Leitungen niemals berühren kann. Gleiches gilt für den EMI-Schutz - oftmals nur nicht erforderlich. Wenn Sie ein EMI-Problem haben, gibt es normalerweise bessere Möglichkeiten, dieses zu lösen (z. B. Verringern der Quellen- / Lastimpedanz durch Terminierung oder Pufferung).