Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik ESD Schutz für ESP32 GPIOs


von rasz (Gast)


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Hey, ich möchte einige GPIOs des ESP32 per Steckverbinder erreichbar 
machen und brauche daher einen passenden ESD-Schutz. Ich frage mich, wie 
viel nötig ist für einen optimalen Schutz. Im Anhang seht ihr zwei 
Beispiele.

Gehen wir davon aus, dass ich eine TVS-Diode mit einer Klemmspannung 
zwischen 8 und 11 V. Z.B.: 
https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1911300908_Diodes-Incorporated-T3V3S5-7_C460614.pdf

Bei einem ESD-Ereignis muss ich dementsprechend davon ausgehen, dass der 
ESP32 einer Spannung von > 8 V ausgesetzt wird. Durch den 1k Widerstand 
will ich den Strom begrenzen, sodass der Puls für die interne Diode 
handlebar bleibt.

Kann ich davon ausgehen, dass die linke Schaltung bereits ausreicht um 
den ESP zu schützen? Hier werden natürlich die internen Klemmdioden es 
ESP32 beansprucht. Oder sollte ich lieber externe Dioden dazu werfen wie 
im rechten Beispiel.

Leider finde ich keine Doku zu den internen Schutzmaßnahmen der ESP32 
GPIOs. Wer was hat, gerne her damit.

von Stefan F. (Gast)


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Beide Schaltungen reichen nicht aus, weil sie Überspannung einfach nach 
VCC ableiten, welche dann über 3,3V ansteigen kann.

Ich will die jetzt keine "bessere" Alternative vorschlagen, denn ich 
kenne deine Anforderungen. Mit wilden Mutmaßungen würde ich dir 
womöglich eine noch schlechtere empfehlen, das will ich vermeiden.

Nenne deine Anforderungen, und zwar nicht nur wovor du die Pins schützen 
willst, sondern was noch gut durch gelassen werden soll.

von Joachim B. (jar)


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rasz schrieb:
> Kann ich davon ausgehen, dass die linke Schaltung bereits ausreicht um
> den ESP zu schützen?

ja!

die TVS Diode ist so aber relativ überflüssig denn der Ableitstrom zu 
VCC wird schon über den 1k begerenzt und dann wäre zu klären welche 
Spannungen du erwartest!, bei 10000V wären das 10A da muss der 
Widerstand recht dick werden und da der ESP keine 10A aufnimmt würde die 
Spannung auch zu hoch steigen.
1k finde ich recht hoch um je nach Signalrichtung ein sauberes low zu 
ermöglichen.
Ein Begrenzungswiderstand vor der TVS Diode wäre dann aber auch nötig, 
kurzum, so pauschal gibt es keine allgemein gültige Antwort.

Für wenige Volt reichten mir immer BAT42 als Ableitdioden und 470 Ohm 
als Rv ohne TVS. So genau sind TVS auch nicht in der Spannung, schau dir 
die Kennlinienschar einfach mal an, entweder sie sind zu früh oder mit 
5,5V auch zu spät! Zur TVS gehört dann auch eine Polyfuse die den Strom 
unterbricht bevor die TVS durchlegiert!

von rasz (Gast)


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Reicht aus, reicht definitiv nicht aus. Aussage gegen Aussage :P

OK, es fehlen ein paar Infos, sehe ich ein. Die Schaltung soll Tests 
nach IEC 61000-4-2 überstehen. Also 8kV Kontakt- bzw 16kV 
Air-gapped-einschläge.

Was die Pins noch können sollen: Als Eingabegeräte würde ich gerne z.B. 
einfache Schalter aber auch z.B. einen digitalen Hall-Sensor wie den 
Honeywell SS460S benutzen können. Der hat als Ausgang eine Stromsenke. 
Auch denkbar wäre den Eingang eines anderen µC zu schalten bzw mit einem 
Ausgang eines anderen µC verbunden zu sein. Das sollte ja alles noch 
möglich sein mit den oben gezeigten Schaltungen.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> nach VCC ableiten, welche dann über 3,3V ansteigen kann.

Die Spannungsversorgung ist mittels eines Schaltreglers (LM257) 
realisiert. Die Spannung könnte doch nur auf max. die Klemmspannung 
angehoben werden, die dann sofort vom Regler wieder ausgeglichen würde. 
Oder ist diese Annahme falsch?

Joachim B. schrieb:
> bei 10000V wären das 10A da muss der
> Widerstand recht dick werden und da der ESP keine 10A aufnimmt würde die
> Spannung auch zu hoch steigen.

Klar, bei 16kV nach dem IEC standard würde ein kleiner 0402 oder 0603 
Widerstand wohl sofort platzen. Daher ja die TVS-Diode, durch die der 
größte Teil des Stroms abfließen soll. Mit dem sollte die Diode ja 
fertig werden lt. Datenblatt (siehe Anhang), oder übersehe ich was?

Joachim B. schrieb:
> entweder sie sind zu früh oder mit
> 5,5V auch zu spät!

Beim ESD-Einschlag stellt das ja kein Problem dar, oder? Nur wenn ich 
dauerhaft eine Spannung über dem für den ESP verträglichen Level habe 
(3.6V) und unter der Durchbruchsspannung.

von Stefan F. (Gast)


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rasz schrieb:
> Die Spannungsversorgung ist mittels eines Schaltreglers (LM257)
> realisiert. Die Spannung könnte doch nur auf max. die Klemmspannung
> angehoben werden, die dann sofort vom Regler wieder ausgeglichen würde.
> Oder ist diese Annahme falsch?

Sie ist falsch. Der Spannungswandler kann die Versorgungsspannung nicht 
herunter ziehen. Schon gar nicht in ausgeschaltetem Zustand.

Du hast deine Anforderungen viel zu schwammig beschrieben. Wir brauchen 
berechenbare Zahlen: Stromstärken, Spannungspegel, Frequenzen, 
Pulsbreiten, maximale Verzögerung, etc.

> Also 8kV Kontakt

Ich bin dieser Thematik nicht firm. Heißt das, du willst eine 
Spannungsquelle mit 8000 Volt an die Pins anlegen? Bei 1kΩ wären das 
8000 Ampere oder 64.000 Watt!

von Gerald K. (geku)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Sie ist falsch. Der Spannungswandler kann die Versorgungsspannung nicht
> herunter ziehen. Schon gar nicht in ausgeschaltetem Zustand

Ist eine Frage des Stromverbrauches der Schaltung. Wenn der Klemmstrom 
2mA ist und der Stromverbrauch 20mA, dann muss der Regler eben nur 18mA 
aufbringen. Wenn 20mA über die Eingangsschutzbeschaltung fließen, dann 
ist der IC sowieso kaput.

Wenn es sich um langsame Eingangssignale handelt, dann würde ich den 
Schutzwiderstand noch größer wählen und eine Kapazität gegen GND 
schalten. Damit würden schnelle Transienten schon durch die Kapazität 
abgefangen.
Der Tiefpass schützt auch gegen Störspannungen.

Beispiel im Anhang : Kondensatoren (rot umrahmt) auf der 
Leiterplattenoberseite, Schutzwiderstände auf der 
Leiterplattenunterseite. Beides sehr nahe bei den Pins. Beim Prototypen 
läßt sich die Beschaltung optimieren. Manche Kondensatoren habe ich 
nicht bestückt, z.B. C104 bis C107, C117 bis C119.

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Beitrag #6684296 wurde von einem Moderator gelöscht.
von rasz (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Du hast deine Anforderungen viel zu schwammig beschrieben

OK, das ist gar nicht so einfach, da ich die Schaltung so entwickeln 
will, dass ich später Sensoren an die GPIOs anschließen kann, an die ich 
momentan vielleicht noch gar nicht gedacht habe. Aber ich probier's mal:

- Frequenz bis 1500 Hz
- Lieferbare Stromstärke >= 3 mA
- Extern angeschlossene MOSFET und BPT noch schaltbar
- IEC62000-4-2 ESD-Test bestehen

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Schon gar nicht in ausgeschaltetem Zustand.

Guter Punkt, scheint als sollte ich noch mehrere Klemmdioden von der 
Versorgung nach GND vorsehen.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Heißt das, du willst eine Spannungsquelle mit 8000 Volt an die Pins anlegen?

Na ja, jain. Die Quelle ist eine ESD-Prüfpistole und der Puls sieht so 
aus wie im angehängten Graph dargestellt. Das Bild ist aus [diesem PDF 
von TI](https://www.ti.com/lit/sg/sszb130c/sszb130c.pdf). Es ist nicht 
so, dass dauerhaft eine 8 kV Spannungsquelle anliegt.

Gerald K. schrieb:
> dann würde ich den Schutzwiderstand noch größer wählen

Na gut, ein bisschen Strom soll schon noch durch kommen. Zumindest ein 
Bipolartransistor bzw. Mosfet sollte noch gut schaltbar sein. Das geht 
mit meinen 3.3 V Versogungsspannung und 1 kΩ ja noch. Wird der R noch 
größer, wird es langsam eng für einen BPT, wenn ich mich nicht täusche.

Gerald K. schrieb:
> Kapazität gegen GND schalten.

Sehr gute Idee. Danke auch für den Tipp, diese direkt am Chip zu 
positionieren. So fange ich auch auf die Leiterbahnen induzierte 
Störungen ab.

Ich hab mal ne neue Schaltung angehängt mit C. Brauche ich, zum Schutz 
von D2 vor Überstrom, noch einen Widerstand? So ist es z.B. in 
https://www.digikey.com/en/articles/protecting-inputs-in-digital-electronics 
in Abb. 12 bzw. 13 gezeigt ist? Würde der nicht sofort abrauchen? Oder 
verstehe ich die Eigenschaften des ESD-Pulses noch nicht?

von Stefan F. (Gast)


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rasz schrieb:
> OK, das ist gar nicht so einfach, da ich die Schaltung so entwickeln
> will, dass ich später Sensoren an die GPIOs anschließen kann, an die ich
> momentan vielleicht noch gar nicht gedacht habe.

Das ist die perfekte Methode, Aufwand und Kosten explodieren zu lassen, 
bevor man zu Ergebnissen kommt.

Vergiss das, eierlegende Wollmilchsäue kann man schon relativ 
preisgünstig fix und fertig kaufen.

> Lieferbare Stromstärke >= 3 mA

Geht aber nicht mit 1kΩ. Du musst den Strom durch die TVS Diode 
begrenzen, falls von außen Überspannung angelegt wird.

von Michael (Gast)


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Wo hast du die Halter für die Mignonzellen her?

von Stefan F. (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Geht aber nicht mit 1kΩ.

Weil: schon bei 1mA fallen an dem Widerstand 1V ab, und dann bist du 
bereits an der Grenze von gültigen HIGH Pegeln.

> Würde der (Widerstand vor D2) nicht sofort abrauchen?

Ich sage mal so: Die üblichen kleinen SMD Widerstände eignen sich nicht 
für tausende Volt, alleine schon wegen dem Abstand der Pins. Da wird ein 
Funke überspringen und dann wird alles dahinter ebenfalls gegrillt.

Gegen direkte Blitzeinschläge gibt es keinen wirksamen Schutz für 
derartige Fein-Elektronik.

von rasz (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Vergiss das, eierlegende Wollmilchsäue kann man schon relativ
> preisgünstig fix und fertig kaufen.

Was meinst du, hast du ein Beispiel?

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Weil: schon bei 1mA fallen an dem Widerstand 1V ab, und dann bist du
> bereits an der Grenze von gültigen HIGH Pegeln.

Argh, da hab ich falsch herum gedacht. Mit einem 330 Ω bekomme ich noch 
3 mA durch und habe ca 1 V Spannungsabfall. Da bleiben noch 2.3 V als 
High-Pegel.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Gegen direkte Blitzeinschläge gibt es keinen wirksamen Schutz für
> derartige Fein-Elektronik.

Nun ja, andere „Feinelektronik”-Geräte werden ja auch nach nach dem 
ESD-Standard getestet und kommen durch. Irgendwie scheint es ja schon zu 
gehen :)

von Daniel F. (foxi_the_daywalker)


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Hi,

ich geh mal mit der groben Kelle durch.

Ganz außen würde ich sehr spannungsfeste Kondensatoren mit niedriger 
Kapazität machen. Intuitiv würde ich sie nach PE machen. Das leitet zwar 
eher Störungen ab, aber sehr kurz Impulse werden so auch schon mal 
gestuzt.
Dann würde ich nach einer passenden Induktivität (ferrite bead) schauen.
Dann kämen die TVS-Dioden mit Kondensatoren. Kurze, zu hohe Spannungen 
sollen dann erst in den Kondensator und quasi dann erst über die Leitung 
zum empfindlichen Chip.
Die Energie in den 8kV Impulsen ist ja nicht so groß, dass sich alle 
Kondensatoren direkt auf 5V aufladen.
Vielleicht könnte man dann noch eine Induktivität(ferrite bead) zum 
IO-Pin machen.

Gruß
Daniel

von Gerald K. (geku)


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rasz schrieb:
> Brauche ich, zum Schutz
> von D2 vor Überstrom, noch einen Widerstand?

Ich habe den Schutzwiderstand in R3 und R4 aufgeteilt. R3 (SMD 2512) mit 
2k2 vor der Zenerdiode und R4 (SMD 0805) mit 2k2 nach der Zenerdiode.

Den großen Kondensator 2,2uF kann ich mir leisten, da keine hohen 
Geschwindigkeitsanforderungen bestehen. In der aktuellen Version ist 
statt dem Elko ein Mehrschichtkondensator (SMD 0805)eingesetzt.

Als Zenerdiode habe ich eine mit 5,6V in Verwendung. Diese hat eine 
steiler Kennlinie und brauch wesentlich weniger Strom bei 3,3V als eine 
3,3V Zenerdiode. R4 sorgt, dass bei auf 5,6V geklemmter Eingangspannung 
der zulässige Eingangsstrom nicht überschritten wird.

Diode current at any device pin ±2 mA

von Stefan F. (Gast)


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rasz schrieb:
> Was meinst du, hast du ein Beispiel?

Suche mal nach "SPS". Ich meine aber nicht nur SPS, sondern ähnliche 
Produkte die es bei den gleichen Händlern gibt. Mir fällt spontan kein 
konkretes ein, weil damit als Hobbybastler nicht viel anfangen kann.

von Michael (Gast)


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Gerald K. schrieb:
.

Wo hast du die Halter für die Mignonzellen her?

von Gerald K. (geku)


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Michael schrieb:
> Wo hast du die Halter für die Mignonzellen her?

Keystone 92 Einzelkontakt 1x Mignon (AA), A, CR 2 Durchsteckmontage THT 
(B x H) 12 mm x 15 mm

https://www.mouser.at/ProductDetail/Keystone-Electronics/92?qs=ygfPscbNso0jAAuAf2q8Lg%3D%3D

oder

https://www.conrad.at/de/p/keystone-92-einzelkontakt-1x-mignon-aa-a-cr-2-durchsteckmontage-tht-b-x-h-12-mm-x-15-mm-651036.html

Gibt es auch in SMD Ausführung, bin aber wegen der Festigkeit bei THT 
geblieben.

Gibr es auch für AAA  und größere Zellen.

Sehr guter Kontakt und ist vor allem robust gegen auslaufende Batterien.

Es werden zwei dieser Clips für eine Batterie benötigt.

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