Cosa è una scarica elettrostatica (ESD) e che effetto ha sul progetto di un PCB?

Mi sono appena trasferito nell’Ovest degli Stati Uniti, caratterizzato da un clima arido, dopo un paio di anni passati nella zona meridionale. Ero cresciuto li ma mi ero dimenticato di quanto fosse comune ricevere delle piccole scosse elettrostatiche. L’elevata umidità presente nell'aria nella zona meridionale rende l'aria stessa più conduttiva; tuttavia nell’Ovest l'aria è più asciutta, quindi più isolante, e provoca scosse più intense. Quando eravamo bambini ci divertivamo a scivolare sulla moquette indossando calzini provando a dare piccole scosse elettriche agli altri (questo non è un comportamento accolto bene ai ricevimenti di matrimonio, vi avviso prima).

Anche se ogni piccola scossa ci coglie di sorpresa comunque non ci provoca danni. Questo non è vero per i componenti elettronici che possono venire distrutti da voltaggi così piccoli d non poter essere nemmeno avvertiti da un essere umano. Per questo è importate predisporre un piano, quando si progetta un PCB, per la protezione del circuito dalle scariche elettrostatiche e per la loro riduzione.

 

È molto facile generare un differenziale di tensione sufficiente a dare una piccola scossa elettrica semplicemente camminando, anche non intenzionalmente.

 

Cosa è un’ESD?

Una scarica elettrostatica (ESD) si verifica quando due oggetti a carica diversa si avvicinano tra loro o quando, se sono carichi a sufficienza, si spezza lo strato dielettrico che li separa. Per i prodotti di consumo questo accade con l'aria a voltaggi superiori a 40 kV/cm.

Il fulmine è il tipo di scarica elettrostatica che le persone conoscono meglio e si verifica quando le nuvole e la terra vanno a formare un enorme condensatore. Un fenomeno simile, ma molto meno drammatico, si verifica quando si scuote un capo in pile o una coperta di lana di notte e si vedono delle scintille.

Che effetto ha su un PCB?

Tutti i circuiti stampati possono essere soggetti a ESD se vengono in contatto, o sono sufficientemente vicini, a persone, involucri, cavi, animali domestici, o qualsiasi altro oggetto, che ha una carica opposta. Quando avviene il contatto la tensione si scarica e si crea un picco di tensione relativamente molto elevato. Al dissiparsi del picco di tensione la corrente di scarica crea, su tutto il PCB, un campo elettromagnetico. L’obiettivo di una protezione contro le ESD è quello di minimizzare l’impatto o gli effetti della scarica e del campo magnetico risultante.

In particolare molti chipset moderni sono realizzati utilizzando litografie così piccole che hanno pochissima o nessuna tolleranza per voltaggi elevati, o anche per valori di DC superiori al voltaggio operativo di 3,3V. Le conseguenze di una scarica elettrostatica che raggiunge uno di questi componenti sono di solito disastrose e l’intero circuito subisce dei danni.

Praticamente ogni elemento del PCB (tracce, percorsi, strati, disposizione e spaziatura ei componenti) ha effetto sulla protezione del PCB contro le ESD. Questo significa che occorre tenere presente questo problema sin dalle fasi iniziali del progetto; in caso contrario occorre spesso cambiare drasticamente il design del PCB nelle fasi successive.

Cosa causa le ESD?

Anche se non state lottando contro vostro cugino cercando di dargli una scarica elettrica raccolta attraverso i vostri piedi, non è raro subire una piccola scarica elettromagnetica svolgendo attività quotidiane. Spesso anche il solo camminare da soli fa sì che si raccolga carica a sufficienza per danneggiare dei componenti.

Su un PCB la scarica di solito si origina nell’interfaccia utente o in un altro punto di ingresso. Qualsiasi attività, come toccare cavi o spingere pulsanti, ma anche chiavi e schermi, possono causare una scarica e spesso lo fanno davvero. Anche il semplice toccare i componenti può essere estremamene dannoso. Personalmente ho danneggiato tanti moduli RF in questo modo.

 

Prese e connettori sono la fonte più comune di ESD nei prodotti di consumo.

 

Come posso proteggere la mia scheda?

La prima linea di difesa consiste nel proteggere la scheda da connessioni esterne. Dato che questo è anche il modo in cui gli utenti spesso interagiscono con il prodotto occorre studiare con attenzione il da farsi. Ogni volta che qualcuno connette qualcosa o rimuove un cavo o spinge un bottone si verifica un rischio di un’ESD.

Sul vostro PCB accertatevi che tutti i connettori siano connessi utilizzando un punto di connessione (o pad) in rame. Dovete mantenere i punti di connessione separati dalla terra in modo che la scossa elettrica nel punto di ingresso non venga immediatamente trasferita a tutti gli altri componenti.

Invece di effettuare una connessione di terra dovreste utilizzare un TVS (soppressore delle tensioni transitorie) su ogni connessione esterna per proteggere il circuito e i suoi componenti sensibili. Il TVS è un piccolo circuito composto da diodi che blocca la maggior parte della tensione in ingresso ma si rompe in condizioni di elevato voltaggio proteggendo il resto del PCB.

Ci sono varie tecniche di progetto che dovreste utilizzare:

Continuate a seguirci, parleremo approfonditamente di tutti questi argomenti nelle prossime settimane.

Anche se monitorare la tolleranza ai voltaggi di tutti i componenti, controllare la larghezza delle tracce e rispettare tutti gli altri requisiti può sembrare un compito noioso è tuttavia necessario per realizzare un circuito ben protetto. Strumenti avanzati per i PCB come Altium Vault e le funzionalità presenti in Altium Designer possono rendere tutti questi processi meno faticosi. In questo modo è possibile concentrarsi solo sulla parte più divertente del progetto. Gli agenti di Altium sono pronti per aiutarvi ora…o dopo che avete finito di giocare con le ESD strofinando un palloncino sul pelo del vostro cane per vedere come diventa dritto!

Avete delle domande sulle ESD? Contattate un rappresentante di Altium.

 

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