Трассировка ESD защиты

Как делать PCB?

Чтобы обеспечить надежную ESD защиту, не достаточно просто выбрать правильный диод. Необходимо также правильно разместить его на плате и выполнить трассировку. В идеале, его следует разместить как можно ближе к разъему, но часто это бывает затруднительно.

Чтобы обеспечить надежную ESD защиту, не достаточно просто выбрать правильный диод. Нужно еще как-то расположить его на плате и выполнить трассировку. В идеале, его следует расположить как можно ближе к разъему, но очень часто это бывает затруднительно. Не хватает места, мешают соседние дорожки и т.п.

Два важных пункта

При разработке защиты от ESD необходимо иметь ввиду две вещи:

ESD разряд это импульс очень большого напряжения за очень маленькое время
ESD разряд это еще и выброс очень большого тока за очень маленькое время

Рисунок 1 - График ESD разряда с указанием соответствующих значений тока и напряжения

Как показано на Рисунке 1, время нарастания тока может быть до
1 наносекунды, ток при касании человека может варьироваться от 1.33А до 6.66А, а напряжение может достигать 10кВ. Всё это означает, что ESD импульс имеет очень высокие значения dI/dt и dV/dt в самом начале. И собственно говоря, именно от этих двух моментов берут начало все рекомендации по трассировке ESD защиты.

1. Расположение

Первая рекомендация звучит как: "размещайте ESD защиту как можно ближе к источнику разряда".

Это обусловлено тем, что чем дальше защита от источника, тем длиннее до нее дорожка. А чем длиннее дорожка, тем больше ее сопротивление и паразитная индуктивность. Наглядно это видно на Рисунке 2.

Рисунок 2 - Расположение ESD защиты и паразитная индуктивность

Паразитная индуктивность неприятна тем ,что вызывает дополнительный бросок напряжения, при протекании тока. Что это значит?

Давайте вспомним, что даже если мы ставим защитный диод, например, на 20V, то в начальный момент разряда, напряжение после срабатывания диода будет не 20V, а больше, в зависимости от типа этого диода. А бросок напряжения на паразитной индуктивности дорожек добавляет к этому еще больше вольт. Нагляднее это можно увидеть на Рисунке 3.

Рисунок 3 - Разница в напряжениях удержания одного и того же диода, расположенного рядом с разъемом и рядом с микросхемой.

Окей, из графика понятна тенденция, но непонятны детали. Как оценить, насколько далеко можно поставить защиту и что будет?

Бросок напряжения описывается формулой:

То, что dI/dt у нас очень большое мы помним. Что с индуктивностью? Если верить калькулятору Saturn, то индуктивность дорожки 0.3мм равна примерно 3nH на 1 см. Таким образом получается, что на 1см дорожки 0.3мм бросок напряжения при человеческом касании может быть до:

В итоге можно выделить следующие рекомендации:

Располагать защиту как можно ближе к разъему/источнику разряда
Делать дорожки как можно короче и шире
Подключение к земле тоже должно иметь минимальную индуктивность

2. Генерация помех

Еще одна неочевидная проблема связана с тем, что ESD разряд может вызвать помехи на соседних дорожках.

Если у нас идут параллельно друг другу две дорожки, то между ними образовывается паразитная емкость.

А значит, при изменении напряжения через эту паразитную емкость может протекать ток, вызывая броски напряжения на соседней линии.

Рисунок 4 - Генерация помех на соседних линиях

Бросок тока между двумя линиями зависит от их емкости, от величины dV/dt и определяется следующей формулой:

dU/dt нам известно, но вот паразитную емкость не всегда легко посчитать. Почему-то калькулятор cross-talk легко найти, а калькулятор расчёта паразитной емкости двух линий - нет.

Для примерной оценки воспользуемся таким калькулятором cross-talk и посчитаем сколько будет напряжение при выбросе 80V, между двумя дорожками длиной 1см и расстоянием 0.3мм:

Рисунок 5 - Амплитуда помехи, вызванная броском напряжения после срабатывания защитного ESD диода

Почти 25V это вполне ощутимое значение. Но уменьшить его несложно: достаточно сделать зазор чуть больше, параллельную длину чуть меньше, а если напряжение будет меньше, то это еще лучше. Тем не менее, при разработке платы, лучше лишний раз перепроверить с помощью калькулятора, не слишком ли высокие помехи вызовет ESD разряд.

В итоге можно выделить следующие рекомендации:

Избегать соседства незащищенных линий и цепей, где может быть ESD разряд
Увеличить расстояние между ними
Уменьшить их параллельную длину

3. Использование VIA

Далеко не всегда получается разместить TVS диоды и защищаемые дорожки сигнала на одной и той же стороне платы. В таком случае, следует использовать переходные отверстия не как попало, а осознанно.

Главная идея в том, чтобы путь между ESD источником и ESD защитой был прямым, без переходных отверстий. А уже после того, как сигнал дошел до защиты, можно использовать VIA.

На рисунке 6 показаны два примера трассировки с использованием переходного отверстия. Слева - наилучший, справа - наихудший.

Рисунок 6 - Два возможных варианта использования переходных отверстий при трассировке ESD защиты

Проблема со вторым случаем в том, что ток разряда (а он очень большой) будет искать наименьшее сопротивление для своего протекания и может найти его где-то в защищаемой микросхеме. И тогда в точке VIA он разделится и потечет как через диод, так и через микросхему.

Можно надеяться на лучшее и что ток разряда не сожжет микросхему, а можно попробовать ценой еще одной VIA решить эту проблему способом, как на Рисунке 7.

Рисунок 7 - Использование двух VIAs для оптимизации протекания ток ESD разряда

При такой топологии ток всегда будет протекать сначала через диод, а 99% дорожки остается на противоположном слое.

Заключение

Есть еще всякие тонкие хитрые моменты и детали в ESD защите, но они либо заводят совсем в дебри, либо нужны для специфичных проектов. Подробнее можно посмотреть в списке источников ниже или по запросу "ESD protection fundamentals" в поисковике.

Источники:

Первое, что нужно иметь ввиду при разработке платы - ESD разряд это не только выброс напряжения большой амплитуды, но еще и выброс тока большой амплитуды.