Một số môi trường cho phép tích tụ điện tích tĩnh và bạn sẽ không biết điều đó đã xảy ra cho đến khi bạn bị điện giật khó chịu. Mặc dù không nhất thiết gây hại cho con người khi xảy ra, nhưng nó có thể gây hại cho thiết bị điện tử của bạn. Thiệt hại có thể tương đối nhỏ hoặc được ngăn chặn khi một linh kiện được bảo vệ, nhưng ngay cả các sự kiện ESD yếu cũng là mối nguy hiểm thực sự đối với thiết bị điện tử có thể dẫn đến hỏng thiết bị.
Hầu như mọi linh kiện dẫn điện trong bố cục PCB của bạn (trace, định tuyến, vị trí đặt linh kiện điện tử) đều có thể ảnh hưởng đến mức độ bảo vệ ESD trên PCB của bạn và các linh kiện này có thể bị ESD khi chạm vào hoặc khi tiếp xúc với môi trường. Nếu thiết kế của bạn bao gồm một số giao tiếp nhất định hoặc phải tuân thủ các yêu cầu về điện áp chịu đựng ESD cụ thể, thì bạn sẽ cần cân nhắc đến các mạch bảo vệ ESD ngay từ đầu quá trình thiết kế của mình.
Phóng tĩnh điện (ESD) là gì?
Phóng tĩnh điện (ESD) xảy ra khi hai vật thể có điện tích khác nhau ở đủ gần hoặc tích đủ điện tích để phá vỡ (ion hóa) lớp điện môi giữa chúng. Đối với các sản phẩm tiêu dùng, ESD và sự cố điện môi trong không khí thường xảy ra khi trường điện giữa hai điểm lớn hơn 40 kV/cm. Những yếu tố như áp suất không khí, nhiệt độ và độ ẩm sẽ ảnh hưởng đến cường độ trường điện này. Ví dụ, độ ẩm cao trong một số môi trường có thể khiến không khí dẫn điện nhiều hơn, điều này sẽ làm tiêu tan một số điện tích và tăng điện áp cần thiết để tạo ra sự kiện ESD.
Biểu đồ điển hình cho thấy xung thử nghiệm ESD được hiển thị bên dưới. Xung thử nghiệm này nhằm mục đích mô phỏng sự kiện ESD có thể xảy ra trong thực tế. Điểm quan trọng trong biểu đồ này là lưu ý thời gian tăng và thời lượng của xung thử nghiệm. Thời gian tăng của các sự kiện ESD thực tế có xu hướng rất nhanh, vì vậy bất kỳ cơ chế nào bạn sử dụng để bảo vệ mạch, linh kiện cần phải phản ứng nhanh nếu không xung sẽ ảnh hưởng đến linh kiện tải.
Một quan niệm sai lầm phổ biến là cần có điện áp cụ thể để gây ra ESD. Điều này không hoàn toàn đúng; điện áp cần thiết để tạo ra ESD phụ thuộc vào chênh lệch điện áp giữa hai điểm và khoảng cách giữa các điểm đó. Đây là lý do tại sao, trong PCB, chúng ta có giới hạn về khoảng cách giữa các dây dẫn (creepage và clearance) như được chỉ định trong tiêu chuẩn IPC-2221 .
Có những loại sự kiện điện áp thoáng qua khác xảy ra, mỗi loại có điện áp đỉnh và mức dòng điện đỉnh dự kiến khác nhau. Sự khác biệt quan trọng nhất giữa các tùy chọn khác nhau để ngăn chặn điện áp thoáng qua là thời gian phản hồi của chúng; điều này được nêu rõ hơn trong phần sau.
ESD ảnh hưởng đến PCB như thế nào?
Bất kỳ bảng mạch in nào cũng có thể bị ESD nếu nó bị chạm vào hoặc ở đủ gần người, bao bì, dây cáp hoặc bất kỳ vật thể nào khác có thể tạo ra chênh lệch điện thế lớn. Khi chênh lệch điện áp này đủ lớn, sẽ có đường dẫn điện cho dòng điện, tạo ra xung dòng điện lớn. Khi xung dòng điện phát triển, nhiệt độ cao sẽ được tản ra bên trong các linh kiện và các dây dẫn trên chính PCB. Ở cường độ trường cực đại và dòng điện phát triển, PCB có thể bị hỏng và các linh kiện có thể bị phá hủy.
Tản nhiệt này về cơ bản là sự sụt giảm IR, trong đó điện trở DC tự nhiên của các thành phần trong PCB tạo ra sự sụt giảm điện áp và đạt đến nhiệt độ cao. ESD có thể xảy ra ở một số vị trí phổ biến trên PCB, do đó, bảo vệ ESD trong PCB nên tập trung vào một số khu vực cụ thể.
ESD trong mạch tích hợp
Xung ESD có thể khiến đường đi của dòng điện chạy qua khối trên mạch tích hợp, tạo ra nhiệt độ cao phá hủy linh kiện. Một ví dụ về gói mạch tích hợp và các vết trên khối bán dẫn được hiển thị bên dưới.
Thiệt hại ESD lớn trên một package mạch tích hợp (bên trái) và die (bên phải).
Đặc biệt, nhiều chipset hiện đại được chế tạo bằng các tính năng in thạch bản nhỏ đến mức chúng có rất ít hoặc không có khả năng chịu được sự sụt điện áp cao, ngay cả đối với các giá trị DC cao hơn một chút so với điện áp hoạt động của chúng (3,3V trở xuống). Kết quả của sự kiện ESD trực tiếp đến một trong những linh kiện điện tử này thường là thảm họa, làm hỏng hoàn toàn IC và gây ra loại thiệt hại được hiển thị trong bảng bên phải ở trên.
ESD trong các connector
Bản thân các connector không phải là nguồn ESD, nhưng bất kỳ điện tích tĩnh nào tích tụ trên hoặc gần chúng đều có thể dẫn đến sự kiện ESD. Mỗi lần ai đó cắm thứ gì đó vào, rút cáp ra hoặc nhấn nút, họ đang đưa nguy cơ tĩnh điện vào thiết bị. Có khả năng các chân cắm nổi tạo ra sự kiện ESD do điện tích tĩnh truyền qua phần dẫn dẫn điện. Cuối cùng, có khả năng xảy ra sự kiện ESD khi connector được cắm vào ổ cắm của nó, tạo ra tia lửa có thể nhìn thấy được.
Vỏ kim loại và chân không sử dụng (floating pins) trên connector là vị trí thường xảy ra hiện tượng ESD ở một số sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp.
Giải pháp đơn giản để xử lý các chân connector không nối đi đâu là nối đất chúng. Các connector được che chắn cũng có lớp che chắn bằng kim loại có thể được kết nối với điểm nối đất (lý tưởng nhất là chassis) và cuối cùng là kết nối earth ground . Cả hai bước đều sẽ phân tán bất kỳ dòng điện xả nào trở lại đất và tránh xa bất kỳ mạch được bảo vệ nào. Đây phải là kết nối trực tiếp có điện kháng thấp ngay lập tức với chassis; không cung cấp kết nối này thông qua tụ điện và không định tuyến dòng điện ESD qua hệ thống nối đất của PCB trở lại chassis/earth ground.
Triển khai bảo vệ ESD trên PCB
Mục tiêu khi triển khai bảo vệ ESD trên PCB là ngăn dòng điện ESD chảy vào mạch điện của bạn và thay vào đó chuyển hướng nó xuống đất thông qua kết nối có điện kháng thấp. Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường, linh kiện bảo vệ vẫn cần phải “vô hình” đối với bất kỳ tín hiệu nào truyền dọc theo đường được bảo vệ. Mạch hoặc linh kiện bảo vệ ESD chỉ nên phản ứng khi sự kiện ESD xảy ra và nó phải thực hiện điều này rất nhanh để chuyển hướng xung ESD trong thời gian tăng của nó.
Nhìn chung, tốt nhất là đưa xung ESD xuống đất trong hệ thống. Các tùy chọn tốt nhất, được sắp xếp theo thứ tự ưu tiên, là:
- Một chassis ground với đất (earth)
- Một chassis ground được kết nối với đất của hệ thống (system ground), trong đó điểm kết nối nằm xa điểm có khả năng xảy ra ESD
- Một vòng bảo vệ (guard ring) trên PCB, có cùng kết nối đất hệ thống như mục #2
- Đất hệ thống (system ground)
Trường hợp tốt nhất là không nối đất với PCB, đó là lý do tại sao nối chassis ground được ưu tiên để bảo vệ ESD và là nơi xả dòng điện trong trường hợp xảy ra lỗi.
Một loại mạch được sử dụng trên I/O của một số IC được đặt gần các nguồn ESD tiềm ẩn (như connector) là diode Zener (bộ triệt điện áp tức thời). Mạch nhỏ này sử dụng 4 diode Zener được phân cực ngược trong sự kiện ESD, tạo ra kết nối shunt cho điện áp/dòng điện ESD và bảo vệ linh kiện tải. Mạch này phải được đặt rất gần nguồn để dòng điện có thể được phân luồng ngay lập tức xuống đất.
Một lựa chọn khác là diode TVS , đây là phương pháp phổ biến khác để triển khai bảo vệ ESD trên các giao tiếp quan trọng. Mặc dù chúng tôi gọi linh kiện này là diode, nhưng nó không chỉ là một diode đơn giản, như được thể hiện trong mạch tương đương bên dưới.
Các thiết bị bảo vệ ESD khác bao gồm ống xả khí (gas discharge tubes )và varistor đơn giản. Ống xả khí thường được tiếp thị cho các xung điện (như các linh kiện Littelfuse), thay vì cho các sự kiện ESD nhanh. Hãy đảm bảo rằng bạn kiểm tra các bảng dữ liệu và hiểu thời gian phản hồi của linh kiện trước khi sử dụng nó để bảo vệ ESD.
Bảo vệ ESD cho USB, Ethernet, I2C, RS-485, RS-232 và các giao tiếp số khác thường sẽ sử dụng một diode TVS giữa connector và IC chứa giao tiếp đó. Điều này ngoài việc che chắn bất kỳ vỏ bọc connector kim loại và chân không sử dụng nào. Bảng dữ liệu linh kiện của bạn thường có một số hướng dẫn bạn nên tuân theo để đảm bảo bảo vệ ESD. Một số công ty cũng sẽ liệt kê các xếp hạng ESD cụ thể trong bảng dữ liệu, có thể tuân thủ các tiêu chuẩn cụ thể của ngành (ví dụ: tiêu chuẩn ô tô hoặc viễn thông) và bạn có thể lựa chọn các linh kiện này khi thiết kế thiết bị có thể dễ bị phơi nhiễm ESD.
