É possível que o seu próximo dispositivo eletrónico venha a ser utilizado num ambiente onde estará exposto a altas tensões ou à eletricidade estática. Nestes casos, a vulnerabilidade de um sistema à ESD deve ser determinada através de testes e simulações. A descarga eletrostática (ESD) é a transferência súbita de eletricidade estática de um objeto para outro. Este fenómeno ocorre quando existe uma diferença de potencial elétrico entre duas superfícies, levando a uma descarga abrupta de energia. A carga pode acumular-se de forma parasita num corpo e, ao ser transferida ou descarregada para a terra (quando o circuito se completa), surge um pico de tensão muito elevado com corrente muito baixa no outro corpo — o que se sente como um pequeno choque.

Pulso ESD

Existem também componentes que podem ser necessários para proteger um sistema contra ESD e garantir que o sistema possa resistir a impulsos de alta tensão. A ESD pode causar danos significativos a componentes eletrónicos sensíveis, resultando em falhas de produto, redução da vida útil e aumento dos custos de fabrico. Para saber mais sobre eletrónica e design de PCB, consulte o nosso artigo recente sobre controlo de impedância em PCBs.

Formas comuns de ESD:

● Contacto físico direto entre um objeto carregado e um dispositivo eletrónico, resultando numa transferência imediata de carga.

● Transferência de carga através do ar ionizado, muitas vezes com faíscas visíveis.

● Campo eletrostático que induz correntes indesejadas em circuitos próximos, mesmo sem contacto direto.

● Fricção entre materiais como plástico, tecido ou vidro, que gera carga eletrostática.

A física por trás da descarga eletrostática (ESD)

A descarga eletrostática (ESD) ocorre quando dois objetos com cargas diferentes se aproximam o suficiente — ou estão suficientemente carregados — para ionizar o dielétrico entre eles. Em produtos de consumo, a ESD e a ruptura dielétrica no ar geralmente ocorrem quando o campo elétrico entre dois pontos ultrapassa 40 kV/cm.

Fatores como pressão do ar, temperatura e humidade influenciam a intensidade desse campo elétrico. Por exemplo, uma humidade do ar elevada pode tornar o ar mais condutivo, dissipando parte da carga e aumentando a tensão necessária para que ocorra um evento de ESD.

Um erro comum é pensar que uma tensão fixa é necessária para desencadear uma ESD. Na realidade, a tensão necessária para uma descarga eletrostática depende da diferença de potencial entre dois pontos e da distância que os separa. É por isso que os PCBs seguem limites mínimos de afastamento entre condutores (creepage e clearance), conforme definido pelas normas IPC-2221.

Efeito da ESD em PCBs e Componentes Eletrónicos

Qualquer placa de circuito impresso (PCB) pode estar sujeita a uma descarga eletrostática (ESD) se for tocada ou se aproximar de pessoas, embalagens, cabos ou qualquer outro objeto que possa gerar uma grande diferença de potencial. Quando essa diferença de tensão é suficientemente elevada, pode criar-se um caminho condutivo através de qualquer componente, gerando um impulso de corrente elevado.

Esse impulso pode exceder a corrente nominal suportada pelos dispositivos presentes na placa. Em condições extremas de campo elétrico e corrente desenvolvida, a própria PCB pode ser danificada e os componentes destruídos.

A ESD pode causar efeitos devastadores nos dispositivos eletrónicos, como:

● Falha imediata: O componente deixa de funcionar de forma imediata.

● Dano latente: Ocorre uma degradação parcial, tornando o dispositivo suscetível a falhas futuras.

● Desvio de parâmetros: Alterações nas características elétricas do componente, comprometendo o desempenho e a fiabilidade.

Como Implementar a Proteção contra ESD?

O objetivo da implementação da proteção contra ESD numa placa de circuito impresso (PCB) é impedir que a corrente gerada por uma descarga eletrostática entre nos circuitos, desviando-a para a terra através de uma ligação de baixa reatância. O circuito ou componente de proteção contra ESD só deve atuar quando ocorre um evento de descarga, e deve fazê-lo de forma extremamente rápida, de modo a desviar o impulso de ESD durante o seu tempo de subida.

Em geral, a proteção contra ESD é implementada nos conectores, pois são os pontos mais vulneráveis — sendo normalmente o primeiro ponto de contacto com o exterior.

Diodo de Proteção contra ESD

Um diodo de proteção contra ESD é um tipo de diodo Zener. Quando um diodo está polarizado inversamente, pouca corrente flui do cátodo para o ânodo. No entanto, quando essa polarização inversa excede um determinado valor (denominado tensão de ruptura inversa), a corrente aumenta subitamente. À medida que a tensão aumenta, o diodo atinge uma zona de tensão constante, independentemente da corrente.

As características de tensão de Zener desses diodos são utilizadas para compor reguladores de tensão e suprimir surtos de tensão. No entanto, enquanto os diodos reguladores Zener servem para manter uma tensão constante, os diodos de proteção contra ESD são utilizados para absorver a energia da descarga eletrostática, protegendo assim o circuito eletrónico.

Este diodo deve ser colocado o mais próximo possível da origem da ESD, de forma a garantir que a corrente é imediatamente desviada para a terra.

Opções Populares: Littelfuse SMAJ, série SMAJ da STMicroelectronics

A proteção contra ESD para interfaces digitais como USB, Ethernet, I2C, RS-485, RS-232 e outras é geralmente feita com a utilização de um diodo TVS (Suppressor de Transientes de Tensão) colocado entre o conector e o circuito integrado (CI) que contém essa interface.

As fichas técnicas dos componentes normalmente fornecem diretrizes específicas que devem ser seguidas para garantir uma proteção eficaz contra descargas eletrostáticas (ESD).

Características do Diodo TVS:

O dispositivo de proteção de circuito mais comum é o diodo de supressão de tensão transitória (TVS). Estes podem ser bidirecionais (diodos ligados em paralelo inverso) ou unidirecionais, permitindo o fluxo de corrente apenas numa direção.

Um diodo Zener também pode ser utilizado como componente de proteção contra ESD, oferecendo uma função equivalente à de um diodo TVS unidirecional.

Quando um impulso ESD é recebido, a alta tensão do impulso força rapidamente o diodo de proteção a entrar em polarização reversa até ocorrer a quebra reversa. O diodo torna-se condutor e cria-se um curto-circuito entre os terminais do componente protegido. Isso desvia o impulso recebido para a terra e impede que a corrente atinja o componente protegido.

Outras medidas para prevenir ESD num circuito:

Para garantir a proteção ESD ao nível da PCB, os projetistas devem implementar as seguintes estratégias:

1. Planos de massa e blindagem: Grandes planos de massa em cobre ajudam a dissipar eficientemente a energia do ESD.

2. Roteamento adequado de pistas: Manter pistas de sinais de alta velocidade afastadas das bordas e utilizar pistas de guarda para reduzir a suscetibilidade.

3. Uso de núcleos de ferrite e filtros: Ajudam a suprimir ruídos de alta frequência gerados por eventos de ESD.

Conclusão:

A descarga eletrostática (ESD) é uma preocupação crítica no design eletrónico, pois pode causar falhas imediatas ou latentes em componentes sensíveis. Compreender como a ESD ocorre, os seus efeitos nas PCBs e a importância da implementação de medidas de proteção adequadas é essencial para garantir a fiabilidade e a longevidade dos dispositivos eletrónicos. Ao incorporar díodos de proteção ESD, projetar PCBs com aterramento e blindagem adequados e seguir normas da indústria como a IPC-2221, os engenheiros podem mitigar eficazmente os riscos de ESD. À medida que a tecnologia avança e os dispositivos eletrónicos se tornam mais sofisticados, tomar medidas proativas para prevenir ESD continuará a ser um aspeto crucial no design e fabrico de hardware.