Czym jest wyładowanie elektrostatyczne i jak wpływa na projekt PCB?

Zachariah Peterson

|  Created: June 9, 2017  |  Updated: December 30, 2020

^{Błyskawice to masywne wyładowania elektrostatyczne (ESD), które powstają gdy dielektryki powietrza między chmurami a Ziemią ulegają zniszczeniu.}

Dopiero co przeprowadziłem się na suchy zachód Stanów Zjednoczonych po kilku latach mieszkania na południu. Dorastałem tutaj, ale okazało się, że już zapomniałem, jak to jest, gdy porazi Cię prąd. Wysoki wskaźnik wilgotności na południu sprawia, że powietrze wykazuje się lepszymi właściwościami przewodzącymi. Teraz natomiast ponownie mam kontakt przede wszystkim z suchym powietrzem, a więc bardziej izolującym, co oznacza znacznie silniejsze porażenia. Jako dzieci biegaliśmy nawet w skarpetach przez dywan, aby następnie próbować wzajemnie razić się prądem (ostrzegam: krzywo na to patrzą na weselach).

Chociaż nadal zaskakuje mnie każde porażenie, wciąż nic poważnego mi się nie stało. Niestety, nie jestem w stanie powiedzieć tego o wielu urządzeniach elektronicznych, które mogą zostać zniszczone przez tak niskie, że nawet niewyczuwalne napięcie. Ważne jest więc, aby podczas projektowania płytek PCB wziąć pod uwagę odpowiednie zabezpieczenia i środki minimalizujące wszelkie ryzyko.

^{Łatwo jest wygenerować wystarczającą różnicę napięcia, aby doświadczyć porażenia prądem podczas chodzenia, nawet jeśli nie robi się tego celowo.} 

Czym jest wyładowanie elektrostatyczne (ESD)?

Wyładowanie elektrostatyczne (ESD) występuje, gdy w pobliżu siebie znajdują się dwa obiekty o różnych potencjałach elektrycznych lub gdy są one wystarczająco naładowane, aby przebić dielektryk między sobą. W przypadku produktów konsumenckich to przebicie zazwyczaj występuje w powietrzu i przy napięciu przekraczającym 40 kV/cm.

Najbardziej znanym przykładem wyładowania elektrostatycznego jest błyskawica, czyli moment, w którym chmury i Ziemia tworzą kondensator. Mniej dramatyczna sytuacja to natomiast taka, gdy próbujesz nakryć się polarowym lub wełnianym kocem, z którego nagle zaczynają tryskać małe iskry.

Jaki ma to wpływ na płytkę PCB?

Każda płytka drukowana może być narażona na wyładowanie elektrostatyczne jeśli zostanie dotknięta lub znajdzie się odpowiednio blisko osób, opakowań, kabli, futrzanych zwierzaków lub wszelkich innych obiektów o innym potencjale elektrycznym. Gdy przedmioty te wejdą ze sobą w bezpośredni kontakt, nastąpi wyładowanie napięcia i jego całkiem spory wzrost. W miarę zanikania wzrostu napięcia wyładowany prąd będzie wytwarzać pola elektromagnetyczne na płytce PCB. Celem ochrony przed wyładowaniem elektrostatycznym jest minimalizacja jakiegokolwiek wpływu lub skutków wyładowania.

W szczególności, wiele nowoczesnych chipsetów powstaje przy użyciu tak drobnej litografii, że wykazują się one niską lub nawet zerową tolerancją wobec wysokiego napięcia, a nawet wartości prądu stałego powyżej ich napięcia operacyjnego, które wynosi 3,3 V. Skutek wyładowania elektrostatycznego, który bezpośrednio wpływa na te komponenty, jest zazwyczaj bardzo niebezpieczny i rujnuje układ scalony.

Prawie każdy element Twojego projektu PCB (ścieżki, trasowanie, warstwy, rozmieszczenie elementów i przestrzeń) może mieć wpływ na ochronę płytki przed wyładowaniem elektrostatycznym. Oznacza to, że musisz wziąć je pod uwagę odpowiednio wcześnie, już podczas procesu projektowania – w przeciwnym razie prawdopodobnie przyjdzie Ci wdrożyć istotne zmiany w swoim projekcie PCB, aby pozbyć się późniejszych problemów związanych z trasowaniem i rozmieszczeniem komponentów.

Co powoduje wyładowanie elektrostatyczne w produktach?

Nawet jeśli nie odganiasz gigantycznych stworzeń o rozpiętości skrzydeł pterodaktyla i olbrzymich stopach gromadzących w sobie elektryczność statyczną, nadal możesz doświadczyć wyładowania elektrostatycznego na skutek zwyczajnych aktywności. Często już samo spacerowanie powoduje gromadzenie się ładunku, który jest tak wysoki, że może uszkodzić komponenty.

Na płytce PCB wyładowanie zazwyczaj pochodzi z interfejsu użytkownika lub punktu wejścia. Dowolna czynność, taka jak podłączenie kabli, naciśnięcie przycisku, klawisza, czy kranu, może skutkować wyładowaniem elektrostatycznym. Również dotykanie samych komponentów może mieć bardzo negatywne skutki. Właśnie w ten sposób pożegnałem się z wieloma modułami RF.

^{Wtyczki i konektory to najczęstsze źródło wyładowania elektrostatycznego w produktach konsumenckich.} 

Jak mogę uchronić swoją płytkę?

Podstawowym sposobem ochrony płytki jest zabezpieczenie jej podczas podłączania do innych elementów zewnętrznych. To właśnie w ten sposób użytkownicy Twoich produktów najczęściej będą wchodzić z nimi w interakcję, więc zasługuje to na szczególną uwagę. Za każdym razem, gdy ktoś podłącza jakieś urządzenie do gniazdka, wyciąga kabel lub naciska przycisk, stwarza ryzyko wystąpienia wyładowania elektrostatycznego.

Upewnij się, że wszystkie konektory na Twojej płytce PCB są połączone za pomocą miedzianej podkładki lub pada. Pamiętaj też, aby pad był odseparowany od uziemienia płytki PCB, dzięki czemu wszelkie wstrząsy przy punktach wejścia nie będą natychmiast kierowane do jakiegokolwiek innego komponentu, który się na niej znajduje.

Zamiast podłączania do uziemienia, należy wykorzystać tłumik napięć przejściowych (TVS) do każdego punktu połączenia zewnętrznego, aby chronić płytkę i jej wrażliwe komponenty. TVS to niewielka dioda, która blokuje większość napięcia wyjściowego, ale ulega zniszczeniu w warunkach wysokiego napięcia, pomagając w ten sposób chronić resztę płytki PCB.

Jest jeszcze wiele innych praktyk, które koniecznie trzeba wziąć pod uwagę podczas projektowania, a mianowicie:

• Zmniejszanie pętli

• Stosowanie dobrych praktyk uziemienia

• Minimalizowanie indukcyjności pasożytniczej

• Ograniczanie długości trasowania

W ciągu następnych tygodni na bieżąco będziemy szczegółowo omawiać te punkty.

Prawdą jest, że śledzenie tolerancji napięcia układu, sprawdzanie szerokości ścieżek, czy kontrolowanie wielu innych wymogów, które musi spełnić nasz projekt, jest trudnym wyzwaniem. Jest to też jednak nieodłączna część pracy projektanta niezawodnych i odpowiednio chronionych płytek PCB. Doskonałe narzędzia do projektowania PCB, takie jak Altium Vault^® czy Altium Designer^®, mogą ułatwić Ci dostosowywanie się do tych wymagań i zasad projektowania, umożliwiając Ci czerpanie przyjemności z tworzenia swojego projektu PCB. Przedstawiciele Altium zawsze chętnie służą pomocą – zarówno teraz, jak i wtedy, gdy już skończysz testować wyładowanie elektrostatyczne poprzez pocieranie balonów o swojego psa, aby zobaczyć, jak wygląda z postawioną sierścią.

Masz dodatkowe pytania na temat wyładowania elektrostatycznego? Skontaktuj się z przedstawicielem z firmy Altium.