Usando Conexión a Tierra para Proteger Tu PCB del Daño por ESD

Estaba en el colegio antes de considerar la ingeniería como una carrera fuera de la sala de máquinas en cualquier capítulo de Star Trek. Aunque, inconscientemente, definitivamente estaba interesado en ello. Las señales llegaron temprano considerando que podía nombrar a todos los ingenieros principales de Star Trek. Sin embargo, el acuerdo se selló cuando estaba ridículamente emocionado de recibir una pulsera con conexión a tierra ESD como regalo. ¿No tienes una en tu joyero? Bueno, está compuesto por una cinta elástica con una tira ancha de metal que va contra tu piel y un cable con una pinza que se adjunta al suelo. Solo teníamos acceso telefónico a Internet en ese momento, pero eso no me impedía pasar horas esperando que se cargasen las páginas para que pudiera averiguar cómo ponerme a tierra. Armado con mi brazalete de pulsera, convencí a mis amigos de que me contrataran para actualizar la memoria RAM de sus ordenadores, o simplemente me dejaran abrir su ordenador.

 Installing RAM into a PC.

Aunque la conexión a tierra puede ser tan simple como tocar algo metálico y no rascarse los pies, es mejor estar conectado a tierra antes de manejar cualquier cosa sensible a la ESD.

El uso de la conexión a tierra para protegerse de descargas electrostáticas es necesario en muchas etapas del desarrollo de tu producto. Cuando manejas productos sensibles, como tarjetas de memoria RAM, la buena práctica incluye el uso de un tapete ESD y conectarte a tierra. También puedes proporcionar protección a tierra para tus productos diseñándolos adecuadamente. Es mejor aplicar buenas prácticas de conexión a tierra al diseño de tu PCB y reducir la dependencia de las prácticas de manejo seguro. Como diría Spock, es ilógico suponer que todos los futuros clientes o instaladores se pondrán a tierra de manera obsesiva cuando manejen productos sensibles.

Usa planos de tierra

Hay varias formas de utilizar la conexión a tierra de la muñequera para la protección contra descargas electrostáticas, pero ante todo es usar un plano de tierra puntual. Aunque no siempre es factible utilizar un diseño de múltiples capas, el plano de tierra realmente puede ayudarte si te preocupa la protección contra ESD. Como sabes, una descarga repentina de voltaje inducirá campos electromagnéticos. Un plano de tierra correctamente conectado puede reducir el daño de éste al desviar la corriente de los componentes sensibles.

El uso de un plano de tierra te ofrece otra forma de reducir el área de los bucles en la potencia a las trazas de tierra. Cuando reduces el área de los bucles, disminuirás el EMI total inducido dentro del área del bucle. Eso, a su vez, disminuye la corriente correspondiente que puede fluir hacia los componentes donde no debería.

Protege tus planos de tierra

Por todo lo bueno que puede hacer un plano de tierra, también puede actuar como un camino directo a tus componentes sensibles si un pulso sensible a la ESD se descarga directamente en él. Para evitar este tipo de daño por disipación estática, recuerda usar circuitos de TVS entre la alimentación y la tierra en componentes sensibles para desviar las corrientes inducidas. Cuando se implementa correctamente, el diferencial de voltaje experimentado por los componentes se mantendrá en el voltaje de sujeción del TVS.

También puedes usar condensadores de derivación de alta frecuencia entre la alimentación y la conexión a tierra en componentes sensibles. Los condensadores reducirán la inyección de carga y las diferencias de voltaje entre la potencia y la tierra. Mantén esos capacitores y sus TVS cerca de los componentes que te preocupa proteger contra las cargas estáticas.

Además, debes usar una superficie de cobre cuando estás conectando conectores a tu PCB. Asegúrate de que el terreno esté separado de la tierra de la PCB, o acabas de introducir una buena ruta de baja resistencia para que la ESD alcance todos tus componentes, a pesar de que pones toda esa otra protección eléctrica de tierra en su sitio. Y, en general, debes minimizar las longitudes de ruta siempre que puedas.

Usa un chasis de tierra

Similar a conectarte a tierra y a una caja de la torre del ordenador antes de comenzar a sacar cosas, puedes poner a tierra la carcasa externa de tu producto. Al permitir que la placa y el chasis compartan una conexión a tierra, puedes mejorar la conexión a tierra de todo el sistema. Una de las maneras más fáciles de implementar una conexión a tierra del chasis es incluir un “tornillo del chasis” que conecta el plano de tierra al chasis. Sin embargo, debes asegurarte de que estás utilizando separadores adecuados para que otros componentes no queden aplastados o cortocircuitados en la carcasa cuando se atornilla el PCB.

Installing a screw into a PCB

El uso de un tornillo de chasis puede ayudarte a conectar tu PCB a tu carcasa externa y luego a tierra.

Además, la conexión a tierra con un tornillo del chasis hace que los circuitos de protección contra ESD sean más efectivos cuando estás usando supresión de tensión transitoria en las entradas. Recuerda, querrás separar la tierra del chasis de la tierra digital y analógica mediante el uso de componentes inductivos. De esa manera, una descarga en tierra no se compartirá accidentalmente con todos los demás componentes.

Si estás diseñando circuitos de alta velocidad, sabes que siempre son más difíciles de optimizar para el rendimiento. Esto es especialmente cierto si se está enrutando a través de múltiples planos de tierra, como un chasis y una capa de PCB. El mejor de los casos es que puedes conectar la tierra del chasis directamente a tierra. Si esa no es una opción, debes mantener todos los planos de tierra bien unidos entre sí. Eso ayudará a minimizar cualquier "cambio de terreno" alrededor de los componentes clave.

Cuando usas una toma de tierra para tu chasis, Texas Instruments recomienda que debes mantenerlo "inmediatamente adyacente" al suelo de tu TVS y al suelo de la fuente ESD esperada, por lo general un protector de conector en la entrada.

 
Fingers touching a PCB while cleaning it.

Las manos más cuidadosas pueden causar muchos daños involuntarios al instalar, limpiar o inspeccionar una PCB.

La incorporación de una buena conexión a tierra en tu diseño puede ahorrarte muchos daños causados por manos torpes o curiosas; aunque bien intencionadas. Y si bien agrega una capa adicional de complejidad planear tu carcasa y separadores, puede tomar mucho tiempo haciendo tu diseño. Una herramienta PCB que puede ayudar a administrar la complejidad agregada es la verificación de espacio de 3D en Altium. Al permitir que Altium administre el espacio físico de tu placa y tu caja, puedes concentrarte en el resto de tu diseño. ¡Puedes comenzar con Altium ahora y hacerlo bien desde la primera vez!

 

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