在PCB板的設計當中,可以通過(guò)分層、恰當的布局布線(xiàn)和安裝實(shí)現PCB的抗ESD設計。在設計過(guò)程中,通過(guò)預測可以將絕大多數設計修改僅限于增減元器件。通過(guò)調整PCB布局布線(xiàn),能夠很好地防范ESD。以下是一些常見(jiàn)的防范措施。

 

 

幾種典型的通用ESD保護電路

 

CAN Bus保護

 

數據線(xiàn)及接口保護

 

分享個(gè)人的ESD保護9大措施

 

最近在做電子產(chǎn)品的ESD測試，從不同的產(chǎn)品的測試結果發(fā)現，這個(gè)ESD是一項很重要的測試：如果電路板設計的不好，當引入靜電后，會(huì )引起產(chǎn)品的死機甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會(huì )損壞元器件，沒(méi)有想到，對于電子產(chǎn)品也要引起足夠的重視。

 

ESD，也就是我們常說(shuō)的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學(xué)習過(guò)的知識中可以知道，靜電是一種自然現象，通常通過(guò)接觸、摩擦、電器間感應等方式產(chǎn)生，其特點(diǎn)是長(cháng)時(shí)間積聚、高電壓(可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬(wàn)伏的靜電)、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)。對于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果ESD設計沒(méi)有設計好，常常造成電子電器產(chǎn)品運行不穩定，甚至損壞。

 

在做ESD放電測試時(shí)通常采用兩種方法：接觸放電和空氣放電。

 

接觸放電就是直接對待測設備進(jìn)行放電;空氣放電也稱(chēng)為間接放電，是強磁場(chǎng)對鄰近電流環(huán)路耦合產(chǎn)生。這兩種測試的測試電壓一般為2KV-8KV，同地區要求不一樣，因此在設計之前，先要弄清楚產(chǎn)品針對的市場(chǎng)。

 

以上兩種情況是針對人體在接觸到電子產(chǎn)品時(shí)，因人體帶電或其他原因引起電子產(chǎn)品不能工作而進(jìn)行的基本測試。下圖是一些地區在一年中不同月份的空氣濕度統計。從圖中可以看出Lasvegas全年的濕度最少，該地區的電子產(chǎn)品要特別注意ESD的保護。

 

全球各地的濕度情況不一樣，但是同時(shí)在一個(gè)地區，若空氣濕度不一樣，產(chǎn)生的靜電也不相同。下表是搜集到的數據，從中可以看出靜電隨著(zhù)空氣濕度的減小而變大。這也間接的說(shuō)明北方的冬天，脫毛衣時(shí)產(chǎn)生的靜電火花很大的原因。“既然靜電這么大的為危害，我們如何進(jìn)行防護呢？我們在進(jìn)行靜電防護設計時(shí)通常分三步走：防止外部電荷流入電路板而產(chǎn)生損壞；防止外部磁場(chǎng)對電路板產(chǎn)生損壞；防止靜電場(chǎng)產(chǎn)生的危害。

 

在實(shí)際電路設計中我們會(huì )采用以下幾種方法的一種或幾種來(lái)進(jìn)行靜電保護：

 

1 雪崩二極管來(lái)進(jìn)行靜電保護

 

這也是設計中經(jīng)常用到的一種方法，典型做法就是在關(guān)鍵信號線(xiàn)并聯(lián)一雪崩二極管到地。該法是利用雪崩二極管快速響應并且具有穩定鉗位的能力，可以在較短的時(shí)間內消耗聚集的高電壓進(jìn)而保護電路板。

 

2 使用高壓電容進(jìn)行電路保護

 

該做法通常將耐壓至少為1.5KV的陶瓷電容放置在I/O連接器或者關(guān)鍵信號的位置，同時(shí)連接線(xiàn)盡可能的短，以便減小連接線(xiàn)的感抗。

若采用了耐壓低的電容，會(huì )引起電容的損壞而失去保護的作用。

 

3 采用鐵氧磁珠進(jìn)行電路保護

 

鐵氧磁珠可以很好的衰減ESD電流，并且還能抑制輻射。當面臨著(zhù)兩方面問(wèn)題時(shí)，一個(gè)鐵氧磁珠會(huì )時(shí)一個(gè)很不錯的選擇。

 

4 火花間隙法

 

這種方法是在一份材料中看到的，具體做法是在銅皮構成的微帶線(xiàn)層使用尖端相互對準的三角銅皮構成，三角銅皮一端連接在信號線(xiàn)，另一個(gè)三角銅皮連接地。當有靜電時(shí)會(huì )產(chǎn)生尖端放電進(jìn)而消耗電能。

 

5 采用LC濾波器的方法進(jìn)行保護電路

 

LC組成的濾波器可以有效的減小高頻靜電進(jìn)入電路。電感的感抗特性能很好的抑制高頻ESD進(jìn)入電路，而電容有分流了ESD的高頻能量到地。同時(shí)，該類(lèi)型的濾波器還可以圓滑信號邊緣而較小RF效應，性能方面在信號完整性方面又有了進(jìn)一步的提高。

 

6 多層板進(jìn)行ESD防護

 

當資金允許的情況下，選擇多層板也是一種有效防止ESD的一種手段。在多層板中，由于有了一個(gè)完整的地平面靠近走線(xiàn)，這樣可以使ESD更加快捷的耦合到低阻抗平面上，進(jìn)而保護關(guān)鍵信號的作用。

 

7 電路板外圍留保護帶的方法保護法

 

這種方法通常是在電路板周?chē)?huà)出不加組焊層的走線(xiàn)。在條件允許的情況下將該走線(xiàn)連接至外殼，同時(shí)要注意該走線(xiàn)不能構成一個(gè)封閉的環(huán)，以免形成環(huán)形天線(xiàn)而引入更大的麻煩。

 

8 采用有鉗位二極管的CMOS器件或者TTL器件進(jìn)行電路的保護

 

這種方法是利用了隔離的原理進(jìn)行電路板的保護，由于這些器件有了鉗位二極管的保護，在實(shí)際電路設計中減小了設計的復雜度。

 

9 多采用去耦電容

 

這些去耦電容要有低的ESL和ESR數值，對于低頻的ESD來(lái)說(shuō)，去耦電容減小了環(huán)路的面積，由于其ESL的作用使電解質(zhì)作用減弱，可以更好的濾除高頻能量。

 

總之，ESD雖然可怕，甚至會(huì )帶來(lái)嚴重后果，但是，只有保護好電路上電源和信號線(xiàn)，那么就能有效的防止ESD的電流流入PCB中。其中，我老大經(jīng)常說(shuō)的一句“一個(gè)板子的良好接地才是王道”，希望這句話(huà)也能給大家帶來(lái)打破天窗的效果。

 

下面將提到更多保護細節：

 

● 盡可能使用多層PCB,相對于雙面PCB而言,地平面和電源平面,以及排列緊密的信號線(xiàn)-地線(xiàn)間距能夠減小共模阻抗和感性耦合,使之達到雙面PCB的 1/10到1/100。盡量地將每一個(gè)信號層都緊靠一個(gè)電源層或地線(xiàn)層。對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線(xiàn)以及許多填充地的高密度PCB,可以考慮使用內層線(xiàn)。

 

● 對于雙面PCB來(lái)說(shuō),要采用緊密交織的電源和地柵格。電源線(xiàn)緊靠地線(xiàn),在垂直和水平線(xiàn)或填充區之間,要盡可能多地連接。一面的柵格尺寸小于等于60mm,如果可能,柵格尺寸應小于13mm。

 

● 確保每一個(gè)電路盡可能緊湊。

 

● 盡可能將所有連接器都放在一邊。

 

● 如果可能,將電源線(xiàn)從卡的中央引入,并遠離容易直接遭受ESD影響的區域。

 

● 在引向機箱外的連接器(容易直接被ESD擊中)下方的所有PCB層上,要放置寬的機箱地或者多邊形填充地,并每隔大約13mm的距離用過(guò)孔將它們連接在一起。

 

● 在卡的邊緣上放置安裝孔,安裝孔周?chē)脽o(wú)阻焊劑的頂層和底層焊盤(pán)連接到機箱地上。

 

● PCB裝配時(shí),不要在頂層或者底層的焊盤(pán)上涂覆任何焊料。使用具有內嵌墊圈的螺釘來(lái)實(shí)現PCB與金屬機箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。

 

● 在每一層的機箱地和電路地之間,要設置相同的“隔離區”;如果可能,保持間隔距離為0.64mm。

 

● 在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置,每隔100mm沿機箱地線(xiàn)將機箱地和電路地用1.27mm寬的線(xiàn)連接在一起。與這些連接點(diǎn)的相鄰處,在機箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤(pán)或安裝孔。這些地線(xiàn)連接可以用刀片劃開(kāi),以保持開(kāi)路,或用磁珠/高頻電容的跳接。

 

● 如果電路板不會(huì )放入金屬機箱或者屏蔽裝置中,在電路板的頂層和底層機箱地線(xiàn)上不能涂阻焊劑,這樣它們可以作為ESD電弧的放電極。

 

● 要以下列方式在電路周?chē)O置一個(gè)環(huán)形地：

 

(1)除邊緣連接器以及機箱地以外,在整個(gè)外圍四周放上環(huán)形地通路。

 

(2)確保所有層的環(huán)形地寬度大于2.5mm。

 

(3)每隔13mm用過(guò)孔將環(huán)形地連接起來(lái)。

 

(4)將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起。

 

(5)對安裝在金屬機箱或者屏蔽裝置里的雙面板來(lái)說(shuō),應該將環(huán)形地與電路公共地連接起來(lái)。不屏蔽的雙面電路則應該將環(huán)形地連接到機箱地,環(huán)形地上不能涂阻焊劑,以便該環(huán)形地可以充當ESD的放電棒,在環(huán)形地(所有層)上的某個(gè)位置處至少放置一個(gè)0.5mm寬的間隙,這樣可以避免形成一個(gè)大的環(huán)路。信號布線(xiàn)離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。

 

● 在能被ESD直接擊中的區域,每一個(gè)信號線(xiàn)附近都要布一條地線(xiàn)。

 

● I/O電路要盡可能靠近對應的連接器。

 

● 對易受ESD影響的電路,應該放在靠近電路中心的區域,這樣其他電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。

 

● 通常在接收端放置串聯(lián)的電阻和磁珠,而對那些易被ESD擊中的電纜驅動(dòng)器,也可以考慮在驅動(dòng)端放置串聯(lián)的電阻或磁珠。

 

● 通常在接收端放置瞬態(tài)保護器。用短而粗的線(xiàn)(長(cháng)度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)連接到機箱地。從連接器出來(lái)的信號線(xiàn)和地線(xiàn)要直接接到瞬態(tài)保護器,然后才能接電路的其他部分。

 

● 在連接器處或者離接收電路25mm的范圍內,要放置濾波電容。

 

(1)用短而粗的線(xiàn)連接到機箱地或者接收電路地(長(cháng)度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)。

 

(2)信號線(xiàn)和地線(xiàn)先連接到電容再連接到接收電路。

 

● 要確保信號線(xiàn)盡可能短。

 

● 信號線(xiàn)的長(cháng)度大于300mm時(shí),一定要平行布一條地線(xiàn)。

 

● 確保信號線(xiàn)和相應回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對于長(cháng)信號線(xiàn)每隔幾厘米便要調換信號線(xiàn)和地線(xiàn)的位置來(lái)減小環(huán)路面積。

 

● 從網(wǎng)絡(luò )的中心位置驅動(dòng)信號進(jìn)入多個(gè)接收電路。

 

● 確保電源和地之間的環(huán)路面積盡可能小,在靠近集成電路芯片每一個(gè)電源管腳的地方放置一個(gè)高頻電容。

 

● 在距離每一個(gè)連接器80mm范圍以?xún)确胖靡粋€(gè)高頻旁路電容。

 

● 在可能的情況下,要用地填充未使用的區域,每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來(lái)。

 

● 確保在任意大的地填充區(大約大于25mm×6mm)的兩個(gè)相反端點(diǎn)位置處要與地連接。

 

● 電源或地平面上開(kāi)口長(cháng)度超過(guò)8mm時(shí),要用窄的線(xiàn)將開(kāi)口的兩側連接起來(lái)。

 

● 復位線(xiàn)、中斷信號線(xiàn)或者邊沿觸發(fā)信號線(xiàn)不能布置在靠近PCB邊沿的地方。

 

● 將安裝孔同電路公地連接在一起,或者將它們隔離開(kāi)來(lái)。

 

(1)金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機箱一起使用時(shí),要采用一個(gè)零歐姆電阻實(shí)現連接。

 

(2)確定安裝孔大小來(lái)實(shí)現金屬或者塑料支架的可靠安裝,在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤(pán),底層焊盤(pán)上不能采用阻焊劑,并確保底層焊盤(pán)不采用波峰焊工藝進(jìn)行焊接。

 

● 不能將受保護的信號線(xiàn)和不受保護的信號線(xiàn)并行排列。

 

● 要特別注意復位、中斷和控制信號線(xiàn)的布線(xiàn)。

 

(1)要采用高頻濾波。

 

(2)遠離輸入和輸出電路。

 

(3)遠離電路板邊緣。

 

● PCB要插入機箱內,不要安裝在開(kāi)口位置或者內部接縫處。

 

● 要注意磁珠下、焊盤(pán)之間和可能接觸到磁珠的信號線(xiàn)的布線(xiàn)。有些磁珠導電性能相當好,可能會(huì )產(chǎn)生意想不到的導電路徑。

 

● 如果一個(gè)機箱或者主板要內裝幾個(gè)電路板,應該將對靜電最敏感的電路板放在最中間。

 

 

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