ESD Protection: Cum sa Protejezi PCB-ul de Descarcarile Electrostatice

Ce Este ESD si De Ce E Periculos?

ESD (Electrostatic Discharge) e acea scanteie pe care o simti cand atingi o clanta dupa ce ai mers pe covor. Pentru tine, e un disconfort minor. Pentru un circuit integrat, poate fi fatal.

O descarcare ESD tipica de la corpul uman poate atinge 15.000V. Componentele CMOS moderne pot fi deteriorate de doar 100V. Fara protectie, circuitele tale sunt vulnerabile.

Unde Apare ESD?

Surse Comune

• Conectori externi (USB, HDMI, Ethernet, audio)
• Butoane si switch-uri - contact direct cu utilizatorul
• Antene - expuse la mediu
• Slot-uri carduri (SD, SIM)
• Cabluri - pot acumula sarcina statica

Puncte Critice pe PCB

Orice loc unde un utilizator poate atinge sau unde un cablu extern se conecteaza e un punct de intrare ESD. Aceste puncte necesita protectie.

Componente de Protectie ESD

TVS Diode (Transient Voltage Suppressor)

TVS-urile sunt componentele principale de protectie ESD. Functioneaza ca o supapa - in mod normal nu conduc, dar la supratensiune devin conductoare si deviaza curentul spre masa.

Tipuri TVS:

• Unidirectionale - protejeaza intr-o singura directie
• Bidirectionale - protejeaza in ambele directii (recomandat pentru ESD)

Parametri Importanti:

• Vrwm (Working Voltage) - tensiunea normala de operare
• Vc (Clamping Voltage) - tensiunea la care limiteaza
• Ippm (Peak Pulse Current) - curentul maxim suportat

ESD Protection Arrays

Pentru interfete cu mai multe linii (USB, HDMI), exista IC-uri cu multiple canale de protectie intr-un singur pachet.

Exemple:

• USBLC6-2 - 2 canale pentru USB
• HDMI04 - 4 canale pentru HDMI
• Ethernet TVS arrays - 8 canale

Reguli de Design PCB pentru ESD

1. Pozitionarea TVS

Regula de aur: TVS-ul trebuie cat mai aproape de conectorul/sursa ESD, nu de circuitul protejat.

De ce? Vrem ca energia ESD sa "vada" TVS-ul primul si sa fie deviata inainte sa ajunga la circuit.

Schema de plasare:

[Conector] --scurt-- [TVS] --lung-- [IC Protejat]

↓

[GND]

2. Minimizarea Inductantei

Inductanta parazita e inamicul protectiei ESD. La curent mare si di/dt mare, chiar si 1nH de inductanta produce tensiune semnificativa.

Solutii:

• Trasee cat mai scurte intre TVS si GND
• Via-uri directe la plan de masa
• Evita via-uri in calea de protectie daca e posibil
• Foloseste trasee late

3. Conexiunea la Masa

TVS-ul trebuie conectat la un plan de masa solid printr-o cale de impedanta joasa.

Best practice:

• Via direct sub pad-ul de masa al TVS
• Plan de masa continuu sub zona de protectie
• Nu ruta semnale sensibile sub TVS

---

🔧 Design cu Interfete Externe? Te Ajutam!

WellPCB Romania ofera:

• ✅ Review design ESD gratuit
• ✅ Recomandari componente de protectie
• ✅ Layout optimizat pentru EMC/ESD
• ✅ Testare conform IEC 61000-4-2 (la cerere)

Solicita Review Design Gratuit →

---

Protectie ESD pentru Interfete Comune

USB (2.0, 3.0, Type-C)

USB 3.0 si Type-C sunt mai sensibile la capacitanta. Alege TVS cu capacitanta foarte mica pentru a nu afecta integritatea semnalului.

Componente recomandate: USBLC6-2, TPD2E001, SP0503BAHT

HDMI

HDMI are linii TMDS de mare viteza care sunt sensibile la capacitanta.

Cerinte:

• Capacitanta sub 0.5pF per canal
• Protectie bidirectionala
• Clamping la ~3.6V

Componente recomandate: HDMI04, TPD4E05U06

Ethernet

Ethernet foloseste transformatoare de izolare care ofera deja o protectie de baza. TVS-uri aditionale se adauga pentru protectie suplimentara.

Pozitionare: Intre conector si transformator, pe partea primara.

GPIO si Semnale Lente

Pentru semnale lente (I2C, SPI, GPIO), capacitanta nu e o problema. Poti folosi TVS-uri standard cu capacitanta mai mare si pret mai mic.

Grounding Strategy pentru ESD

Chassis Ground vs Signal Ground

• Chassis Ground - conectat la carcasa metalica, punct de intrare ESD
• Signal Ground - masa circuitelor sensibile

Cele doua trebuie conectate, dar strategic:

• Conexiune printr-un singur punct (star ground)
• SAU prin ferrite bead pentru filtrare
• SAU prin TVS pentru izolare la frecvente joase

Guard Rings

Un inel de cupru conectat la masa in jurul zonelor sensibile poate ajuta la devierea ESD-ului.

Standarde si Testare

IEC 61000-4-2

Standardul principal pentru testare ESD. Defineste niveluri de testare:

Majoritatea produselor consumer trebuie sa treaca Level 3 sau 4.

HBM vs CDM vs MM

• HBM (Human Body Model) - simuleaza atingerea umana
• CDM (Charged Device Model) - simuleaza dispozitivul incarcat
• MM (Machine Model) - simuleaza echipamente industriale

HBM e cel mai comun pentru produse finale.

Greseli Frecvente

1. TVS prea departe de conector

TVS la 2cm de conector nu protejeaza eficient. ESD-ul ajunge la circuit inainte ca TVS-ul sa reactioneze.

2. Traseu lung spre GND

Un traseu de 5mm spre masa adauga inductanta semnificativa. Rezultat: supratensiune la circuit in ciuda TVS-ului.

3. TVS unidirectional pe linii bidirectionale

Daca linia poate avea si tensiuni negative, un TVS unidirectional nu protejeaza. Foloseste bidirectional!

4. Capacitanta prea mare pe high-speed

Un TVS de 100pF pe USB 3.0 va distruge integritatea semnalului. Alege TVS cu capacitanta sub 1pF.

5. Neglijarea cablurilor

Un cablu lung actioneaza ca antena si poate introduce ESD. Protejeaza si conexiunile interne, nu doar pe cele externe.

Design Tips Suplimentare

Distanta de la Marginea PCB

• Semnale high-speed: minim 3mm de la margine
• Semnale low-speed: minim 2mm de la margine
• Linii de clock/reset: inconjurate de GND (shielding)

Evitarea Unghiurilor de 90°

Unghiurile ascutite concentreaza campul electric. Foloseste unghiuri de 45° sau curbe.

Serigrafia si Marcajele

Marcheaza clar componentele ESD pe silkscreen. Ajuta la inspectie si debugging.

Simulare si Verificare

Software de Simulare

• IBIS models - pentru analiza integritate semnal cu TVS
• SPICE - pentru comportament tranzient
• SI tools (Altium, Cadence) - analiza completa

Testare in Laborator

Inainte de productie de masa, testeaza prototipul conform IEC 61000-4-2. Multe laboratoare ofera servicii de testare ESD.

Concluzie

Protectia ESD nu e optionala pentru produse cu interfete externe. Un design corect cu TVS-uri plasate strategic, conexiuni de impedanta joasa la masa si atentie la layout poate face diferenta intre un produs fiabil si unul care esueaza la prima atingere.

Checklist ESD protection:

• ✅ TVS langa fiecare conector extern
• ✅ Conexiune scurta si directa la GND
• ✅ Capacitanta TVS potrivita pentru viteza semnalului
• ✅ Plan de masa solid sub zona de protectie
• ✅ Distanta adecvata de la marginea PCB
• ✅ Testare conform standardelor (IEC 61000-4-2)

Pentru interfete high-speed care necesita si control de impedanta, citeste ghidul de impedanta controlata.

---

Surse si Referinte

1. Altium - TVS Diode Design Guidelines - Best practices layout

2. Texas Instruments - ESD Protection Layout Guide - Application note TI

3. Sierra Circuits - ESD Protection Circuit Design - Ghid complet

4. ST Microelectronics - PCB Layout Tips for ESD - AN5686