Je možné, že vaše novo vyrobené elektronické zariadenie bude umiestnené v oblasti, kde bude vystavené vysokému napätiu alebo statickej elektrine. V týchto prípadoch by sa mala zraniteľnosť systému voči ESD vopred určiť prostredníctvom testovania a simulácie. Istou formou ochrany môže byť použitie komponentov, ktoré systém ochránia pred ESD a zabezpečia tak, aby systém bezpečne odolal impulzom vysokého napätia.

V tomto článku sa budeme venovať dvom najzákladnejším aspektom ochrany pred ESD: použitiu komponentov na ochranu pred ESD a tieneniu. Komponenty ochrany proti ESD sú najbežnejšou a aj najlacnejšou cestou k vytvoreniu systému, ktorý odolá impulzom vysokého napätia, ale v niektorých prípadoch možno dodatočnú ochranu zabezpečiť aj tienením na doske plošného spoja alebo v kryte.

Ako fungujú ochranné komponenty pred ESD

Ochranu pred ESD môžu zabezpečovať špecifické komponenty alebo vodivé pripojenia k tieneniu v systéme. Najbežnejším prístupom je umiestnenie komponentu na dosku pločného spoja, ktorý dokáže potlačiť vzniknutý prúd / napätie indukované v obvode pri vzniku ESD. Tieto ochranné komponenty a obvody fungujú dvoma možnými spôsobmi v závislosti od toho, kde sú potláčajúce prvky umiestnené v zapojení:

• Komponent môže odkloniť vysoké napätie / vysoký prúdový impulz z citlivého komponentu smerom na zem zariadenia.
• Komponent môže byť navrhnutý tak, aby absorboval alebo vydržal vzniknutú ESD udalosť. Najjednoduchším príkladom toho je použitie rezistora, ktorý premieňa impulz na teplo, hoci rezistory sa vo všeobecnosti spália od vysokého ESD impulzu.

Existuje mnoho komerčne dostupných možností na účinné potlačenie ESD, ktoré možno použiť na zameranie sa na konkrétne komponenty, ktoré môžu byť vystavené pôsobeniu ESD. Tieto opatrenia môžu poskytnúť pomerne účinnú ochranu v hodnote niekoľkých kV s časmi impulzov dosahujúcimi až nanosekundy. Zatiaľ sa však budeme venovať bežným komponentom ochrany pred ESD, ktoré možno použiť na ochranu pred ESD udalosťami, hoci vzájomná kombinácia techník tienenia a uzemnenia sú dva dôležité prvky ochrany systému pred ESD.

Ochrana obvodov pomocou diód

Najbežnejším zariadením na ochranu obvodu je dióda na potlačenie prechodných napätí TVS - Transient Voltage Suppressor, alebo zjednodušene Transil. Môžu to byť obojsmerné (back-to-back) diódy, alebo jednosmerné s povoleným tokom prúdu len v jednom smere. Rovnako sa môže použiť aj zenerova dióda ako súčasť ochrany proti ESD, ktorá v tomto prípade plní ekvivalentnú funkciu ako jednosmerná dióda TVS, alebo Transil.

Nižšie uvedené schematické príklady ukazujú, kam správne umiestniť diódy na ochranu obvodu a ich polaritu. Keďže tieto diódy sú nelineárne a usmerňovacie, vedú iba v jednom smere. V miestach, v ktorých sú umiestnené v nižšie uvedenom obvode, sú tieto diódy účinne izolačne a nedovolia, aby cez diódu tiekol akýkoľvek prúd.

Pri prijatí ESD impulzu sa vysoké napätie impulzu rýchlo privedie na ochrannú diódu do hlbokého spätného predpätia, až kým nedôjde k jej spätnému prierazu. Dióda sa stane vodivou a na svorkách chráneného komponentu vznikne skrat. Tým sa prijatý impulz odkloní na zem a prúd sa nedostane do chráneného komponentu.

Všimnite si, že tento ochranný mechanizmus vyžaduje, aby chránený komponent mal strednú až vysokú vstupnú impedanciu. To je vo všeobecnosti prípad väčšiny komponentov, ktoré budú vyžadovať určitú ochranu obvodu. Rovnako si aj všimnite, že mnohé integrované obvody môžu mať zabudovanú určitú formu ochrany proti ESD, zvyčajne v rozsahu až niekoľkých kV. Ak je požadovaná vyššia úroveň ochrany, mali by ste pridať tieto doplňujúce diódy.

Simulácia ESD udalosti

ESD udalosti vnášajú do systému vysoký impulz v zraniteľnom bode, ktorým je zvyčajne niektorá oblasť systému, ktorá je vystavená vonkajšiemu prostrediu. Ako bolo uvedené vyššie, zvyčajne je to v blízkosti konektorov alebo akýchkoľvek exponovaných kovových prvkov v kryte, čo sú miesta, kde môže veľký výboj vniesť do systému prúd. Ak chcete simulovať ESD udalosť a jej účinky na systém, potom musíte odhadnúť, kde by k ESD udalosti mohlo najpravdepodobnejšie dôjsť.

To si vyžaduje trochu predvídavosti, pretože budete musieť vedieť, ktoré prvky môžu byť vystavené používateľovi, a teda môže dôjsť k udalosti ESD. Ak chcete simulovať ESD udalosť, môžete niekde v obvode umiestniť zdroj impulzov a spustiť simuláciu prechodovej analýzy. Keďže amplitúda vstupného impulzného napätia sa mení, môžete v obvodoch generovať výsledky, ktoré ukazujú, ako ochranná dióda odkloní impulz a zníži napätie, ktoré "vidia" chránené komponenty.

Príklad výsledkov vygenerovaných pomocou Sigrity, ktoré ukazujú účinok pridania TVS diódy k signálnej stope. Všimnite si, že TVS dióda poskytuje významné tlmenie vďaka svojim nelineárnym rektifikačným vlastnostiam.

Dodatočná ochrana pred ESD? Pridajte tienenie!

Keď sa systém otestuje na odolnosť voči očakávaným ESD udalostiam alebo sa systém vyhodnotí podľa priemyselného štandardu, je vhodné sa zamyslieť, či nie je potrebná ďalšia dodatočná ochrana. Najčastejšou príčinou ESD je výboj cez ľudskú ruku, ktorá môže akumulovať statický náboj prostredníctvom triboelektrizácie. Výsledkom je výboj do zariadenia, ktorý môže spôsobiť poruchu zariadenia, ak nie je potlačený.

Keďže používatelia bežne prichádzajú do styku so zariadením prostredníctvom jeho krytu, má zmysel preskúmať integráciu ochrany proti ESD prostredníctvom tienenia krytu. Jedným z opatrení, ktoré poskytne dodatočnú ochranu pred ESD (a v niektorých prípadoch aj pred šumom RFI), je tienenie pridané na dosku plošného spoja alebo kryt. Niektoré z možností tienenia na konkrétne riešenie ESD sú:

• Tieniace plechové kryty komponentov
• Tienené skrinky
• Tesnenia proti elektromagnetickému rušeniu (na použitie na veľmi veľkých skriniach)

Tieto tesnenia proti elektromagnetickému rušeniu sa môžu použiť na tienenie otvorov v skrinke a na zabezpečenie vodivej cesty pre ESD z vonkajšieho prostredia.

Ak existuje možnosť, žeby sa ESD mohlo dostať do systému z odkrytého kúska kovu na kryte zariadenia, potom je najlepšie použiť kryt, ktorý poskytuje uzemnenie s prestupom na šasi. Metalizované skrine sa môžu použiť ako bezpečnostné uzemnenie pre akýkoľvek ESD impulz alebo akúkoľvek skratovú poruchu v systéme. Tým sa prúd injektovaný v ESD úspešne odkloní do zemniaceho vodiča a zabráni sa tak poškodeniu elektroniky na doskách plošných spojov chráneného zariadenia. Uistite sa preto, že pripojenie k uzemneniu šasi pre akýkoľvek tienený konektor a montážne prvky na doske plošných spojov má nízku impedanciu. Na zabezpečenie tienenia proti ESD pritom zvyčajne stačí priame pripojenie k šasi pomocou skrutiek.