La mayoría de los consumidores no sabe que ellos mismos constituyen el mayor riesgo para los dispositivos electrónicos que juegan un papel fundamental en sus vidas. La protección de circuitos es importante para todos los dispositivos electrónicos, ya sea en el coche, el hogar o el lugar de trabajo. El contacto del cuerpo humano con cualquier dispositivo que contiene semiconductores electrónicos sensibles puede causar un evento de descarga electroestática o ESD (por su sigla inglesa).

Es posible que alguna vez al salir de su coche durante el invierno o el verano en alguna región de clima muy seco le haya sorprendido una breve sacudida al tocar el metal de la puerta del coche. La sacudida le puede haber resultado molesta, pero ¿se imagina cómo afecta a los equipos electrónicos sensibles? Por ejemplo, ¿alguna vez le pasó que al coger su smartphone o su tableta notó que algunos de los botones o puertos de datos no funcionaban adecuadamente? Estos y otros ejemplos de la vida real pueden ser el efecto directo que tiene esa misma “sacudida” sobre el dispositivo en vez de sobre la estructura de metal de su coche. Aunque las descargas electroestáticas no tengan consecuencias catastróficas como la explosión de un teléfono móvil, nos damos cuenta cuando no funciona el teclado o los botones después de que haya sufrido una descarga electrostática sin estar protegido. De manera similar, un puerto (p. ej. USB o Ethernet) deja de funcionar adecuadamente cuando está conectado a otros dispositivos debido a daños causados por dicho tipo de descarga.

La fuente de estos eventos de ESD es un fenómeno conocido como “carga triboeléctrica”, que es el que ocurre cuando dos materiales entran en contacto para luego ser separados rápidamente. Se produce un intercambio de electrones entre ambos materiales que tiene por resultado que uno queda con carga positiva y el otro, con carga negativa. Este fenómeno que conduce a la ESD depende de varios factores, como el área de contacto, la velocidad de separación, la humedad relativa, las características químicas de los materiales, etc. Este proceso ocurre miles de veces por día y en la mayoría de los casos pasa desapercibido, siempre que la descarga no sea lo suficientemente fuerte como para causar alguna molestia leve y breve (p. ej. al caminar sobre una alfombra o al coger la manilla de la puerta). Las cargas generadas pueden tener entre cientos de voltios y decenas de miles de voltios. A continuación se indican algunos ejemplos de eventos de descarga electrostática:

La exposición a descargas electroestáticas es un grave problema para los equipos de consumo de la actualidad (que son sofisticados, pero sensibles a los costes), debido a que cada vez son mayores las exigencias de las dimensiones y el procesamiento de las piezas de silicio. Las estructuras de protección contra las ESD se han vuelto demasiado grandes y costosas para incluirlas en el paquete del circuito integrado de silicio; por ello, los proveedores de chips eliminan o reducen considerablemente la protección interna contra las descargas electroestáticas. Sin embargo, una vez que los circuitos integrados están instalados en los productos de consumo es posible que reciban descargas que no estén tan bien controladas como en los entornos industriales.

Asimismo, históricamente, los fabricantes de circuitos integrados han utilizado un modelo de pruebas de ESD (norma MIL-STD-883 Método 3015: Modelo de Cuerpo Humano) que se relaciona específicamente con un entorno industrial, mientras que los fabricantes de equipos preocupados por los eventos de ESD observados en la práctica han usado un modelo más exigente, según lo define la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en la norma IEC 61000-4-2. A la fecha del presente trabajo, la mayoría de los proveedores de chips prueban sus productos a 500V con el Modelo de Cuerpo Humano (HBM), mientras que los fabricantes de equipos para usuarios finales realizan pruebas a 8000V (y más) aplicando la norma IEC61000-4-2.

La siguiente es una comparación entre las corrientes ESD de Modelo de Cuerpo Humano (HBM) que emplean numerosos proveedores de chips y los eventos de ESD ambientales descriptos en la norma IEC 61000-4-2 que muchos consumidores causarán involuntariamente sobre sus dispositivos:

Se puede apreciar que el peor caso de nivel de ESD bajo el HBM es mucho menor que el peor caso del nivel de corriente ESD previsto por la norma IEC61000-4-2 (destacado en rojo). El evento de 8kV descripto en esa misma norma, comparado con el evento del mismo voltaje previsto en el HBM, presenta un aumento de corriente 5,6 veces mayor. No se puede garantizar que un chipset que resiste las pruebas HBM (condiciones de pruebas de entornos industriales) también podrá resistir en su aplicación práctica, donde la exposición a descargas electrostáticas será mucho mayor. Finalmente, como ya se mencionó, la mayoría de los proveedores de chips solamente realiza pruebas a 500V empleando el Modelo de Cuerpo Humano y, comparando con un transitorio ESD de 8kV en el campo, el chipset tendrá un aumento de casi el cien por ciento en la corriente, lo cual seguramente será su fin si no se agrega protección contra ESD en el diseño.

En los últimos años, los requisitos de las pruebas para aplicaciones se han vuelto cada vez más severos: actualmente se emplea como mínimo un evento de ESD de 8kV. Los niveles de las pruebas tienden a alcanzar los 20kV e, incluso, 30kV, mientras que los fabricantes de circuitos integrados continúan eliminando protecciones para ahorrar en superficie de silicio a fin de mejorar la funcionalidad. El siguiente gráfico muestra la brecha que existe entre la capacidad de ESD de los chipsets y el nivel de exposición a ESD presente en las aplicaciones de campo, dejando en evidencia que cada vez se vuelve más necesario contar con protección contra ESD adicional.

Seleccionar la protección contra ESD correcta es un factor crucial para la vida de cualquier dispositivo electrónico de consumo
Seleccionar el dispositivo de protección contra ESD correcto (usualmente llamado “diodo TVS”, por la sigla en inglés de “supresor de tensiones transitorias”) resulta fundamental para asegurar que la aplicación final pueda resistir y continuar funcionando conforme a su diseño original. La resistencia dinámica es un elemento de protección contra ESD muy importante, sino el más importante, que se debe tener en cuenta a la hora de seleccionar un componente protector. Toda solución de protección posee un valor de resistencia intrínseca asociado a sus características de bloqueo. La solución ideal reduce al mínimo la resistencia intrínseca de manera tal que, durante un evento de sobretensión, la solución de protección posee la menor trayectoria de impedancia hasta tierra.

El siguiente diagrama esquemático ilustra esta situación. Durante un evento de ESD, el dispositivo de bloqueo se enciende o pasa de su estado nominal de impedancia elevada a otro de baja impedancia. Si su resistencia en serie es elevada, se genera un voltaje alto (V = I*R) a través del componente, es decir que proporciona una protección menos efectiva del circuito integrado. Si la resistencia en serie es baja, disminuye el voltaje generado a través del componente protector y, por ello, el nivel de exposición del chip es menor. Esta menor resistencia dinámica (valor de resistencia del componente protector durante el modo de bloqueo) permite que una mayor parte de la sobretensión se aparte del circuito integrado y se dirija hacia la tierra, como se ilustra a continuación. Los diodos TVS de Littelfuse están diseñados para alcanzar el menor valor de resistencia dinámica a fin de reducir al mínimo la caída general del voltaje a través del componente protector y de maximizar la corriente que lo atraviesa (en lugar de la corriente que atraviesa el chip protegido).

En general, los dispositivos protectores de silicio proporcionan la mejor protección contra las descargas electroestáticas debido a que su resistencia dinámica es intrínsecamente menor que la de las otras soluciones, que pueden ser polímeros, cerámicas, etc. La resistencia dinámica usual de los componentes de silicio varía entre 0,2 ž y 3,0 ž, dependiendo del proveedor, mientras que los componentes de tipo cerámico (de igual capacitancia) ofrecen resistencias dinámicas del rango de 2 W a 5 W en promedio.

El siguiente gráfico muestra la diferencia entre la energía que deja “pasar” un componente de silicio y su par varistor cuando se les inyecta un transitorio de ESD de 8kV. Se puede apreciar la amplia diferencia inicial al encendido y las diferencias con el voltaje de bloqueo final. La diferencia entre las dos curvas (las flechas) es la energía resultante que el circuito integrado o chipset deberá poder resistir para impedir daños o fallos prematuros.

Satisfacer las necesidades de protección cumpliendo con las normas internacionales
Los artículos electrónicos de consumo, como los televisores LCD, los móviles inteligentes, las tabletas, los lectores electrónicos, los descodificadores, las consolas de juego, las cámaras digitales, los reproductores de sonido, etc., parecen no tener límites y evolucionan constantemente. Sin embargo, los puertos o conexiones de estos dispositivos son bastante comunes y requieren de protección contra ESD, dado que son su interfaz con el mundo externo. Casi todos los productos de consumo presentan alguna de las siguientes funciones:

1)    CA alimentación/salida
2)    CC alimentación/salida
3)    Pilas
4)    Teclados/botones
5)    Señales de vídeo (HDMI, S-vídeo, vídeo compuesto, módulo LCD)
6)    Salida de audio
7)    Interfaz de datos de baja velocidad (USB1.1, IEEE 1394, RS 232C, RS 485)
8)    Interfaz de datos de alta velocidad (USB2.0, USB3.0, 100BaseT, 1000BaseT)
9)    CATV/RF entrada/salida

Algunas de estas funciones exigen el cumplimiento con normas de seguridad nacionales, es decir que deben contar con protección contra sobreintensidad y sobretensión. Otras funciones pueden requerir protección contra factores ambientales como las ESD y, también, las descargas eléctricas cercanas o los transitorios eléctricos rápidos (EFT) causados por equipos de carga inductiva elevada próximos al encenderse y apagarse por ciclos (p. ej. una aspiradora).

Los productos que se conectan directamente a la red de CA (120 a 250VACrms) pueden verse expuestos a fuertes transitorios de sobretensión (rayos, conmutación de cargas, etc.) y a situaciones de cortocircuito/sobrecarga. Para enfrentar este elevado nivel de exposición es necesario recurrir a una combinación de componentes de sobreintensidad (fusibles o dispositivos de coeficiente térmico positivo (PTC)) y de sobretensión (varistores de óxido metálico (MOV), supresores de tensiones transitorias o diodos TVS). Las normas que pueden exigir específicamente este tipo de protección son:

1)    IE 61000-4-4 (EFT entorno de usuario)
2)    IEC 61000-4-5 (sobretensión causada por rayo)
3)    IEC/EN 60950-1 (norma de seguridad)

Los productos portables de consumo que contienen un adaptador de CA o CC pueden estar expuestos a descargas electroestáticas específicas y descargas eléctricas de bajo nivel contra las que también se debe proporcionar protección. Las siguientes son algunas normas que pueden exigir de manera específica este tipo de protección:

1)    IEC 61000-4-2 (ESD entorno de usuario)
2)    IEC 61000-4-5 (sobretensión causada por rayo)

Los teclados u otros tipos de botones de interfaz manual pueden ser un punto de entrada para la energía destructiva de las descargas electroestáticas. Las líneas de audio pueden tener un tipo similar de exposición a ESD debido a los cables de conexión de los altavoces y al contacto manual. Los conectores de S-vídeo, vídeo compuesto y HDMI también son susceptibles de soportar descargas electroestáticas debido a que son operados en forma manual. Las aplicaciones con paquetes de pilas tienen una exposición similar a ESD, así como a posibles condiciones de “fuga de sobreintensidad”, contra las que se las debe proteger (las normas IEC 61960 e IEC 62133 se aplican específicamente a estos casos). Las líneas de datos de baja velocidad y de alta velocidad también pueden verse sometidas a ESD y, dependiendo de su ubicación, también a sobretensiones causadas por rayo. Las normas que se aplican usualmente a estos tipos de aplicaciones son las siguientes:

1)    IEC 61000-4-2 (ESD entorno de usuario)
2)    IEC 61000-4-5 (sobretensión causada por rayo)

Los siguientes ejemplos muestran posibles soluciones para cada uno de los diversos tipos de funciones de los productos de consumo:

Conclusión y resumen
El riesgo que corren los productos de consumo de sufrir daños causados por transitorios de sobretensión como las descargas electroestáticas es cada vez mayor. A medida que los diseñadores de circuitos integrados tratan de agregar más funciones a los chipsets, su capacidad para resistir la ESD desciende considerablemente, lo que exige el uso de componentes protectores externos. Los fabricantes de equipos prueban sus equipos empleando la norma internacional IEC61000-4-2 y, a fin de asegurar la expectativa de vida de sus productos, recomiendan diodos TVS como protección. Los diodos TVS no solamente cumplen con los requisitos más exigentes, sino que proporcionan voltajes de bloqueo muy bajos comparados con las demás tecnologías, lo que les permite proteger circuitos integrados de última generación. También para la exposición a transitorios eléctricos rápidos, descargas eléctricas cercanas y posibles casos de cortes de corriente es necesario pensar en soluciones de protección contra sobreintensidades y sobretensiones.

Al emplear los componentes protectores adecuados para este tipo de eventos, los fabricantes pueden asegurar que sus productos podrán continuar formando parte de la vida de los consumidores. Esta selección correcta del tipo de protección también asegura que las aplicaciones cumplan con las disposiciones apropiadas a los efectos de la seguridad y la funcionalidad.

Autores

Phillip Havens es ingeniero jefe de Littelfuse y cuenta con amplia experiencia en ingeniería electrónica. Se licenció y obtuvo una maestría en ingeniería electrónica en la Universidad Louisiana Tech, es ingeniero profesional registrado y colabora intensamente con equipos técnicos de numerosos fabricantes líderes de productos electrónicos en el desarrollo de soluciones de protección para circuitos de sus aplicaciones especializadas. Representa a Littelfuse en asociaciones industriales relacionadas con las telecomunicaciones, la protección de circuitos y la seguridad electrónica como ITU, TIA, ATIS, IEC, IEEE, PEG, y en paneles técnicos de las normas UL497/60950-1/62368-1. También contribuye a la definición, la dirección y el mantenimiento de las líneas de productos de protección basados en silicio de la empresa. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo..

Autor:

Phillip Havens, Ingeniero Jefe de Littelfuse

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