云創(chuàng)硬見PCB電路設(shè)計(jì)指南（經(jīng)典）

1.靜電放電之前靜電場的效應(yīng)
2.放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)
3.靜電放電電流產(chǎn)生的場效應(yīng)
盡管印刷線路板（PWB，通常也稱之為PCB）的設(shè)計(jì)會對上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響。下面的討論將針對第三條所述的問題給出設(shè)計(jì)指南。
通常，源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減?。ㄟ@些通用方法也會在其它討論場的章節(jié)中提到）：
1.在源端使用濾波器以衰減信號
2.在接收端使用濾波器以衰減信號
3.增加距離以減小耦合
4.降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合
5.將接收天線與發(fā)射天線垂直放置以減小耦合
6.在接收天線與發(fā)射天線之間加屏蔽
7.減小發(fā)射及接收天線的阻抗來減小電場耦合
8.增加發(fā)射或接收天線之一的阻抗來減小磁場耦合
9.采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB板所提供的）耦合信號，使它們保持共模方式
在 具體設(shè)計(jì)中，如電場或磁場占主導(dǎo)地位，應(yīng)用方法7和8就可以解決。然而，靜電放電一般同時產(chǎn)生電場和磁場，這說明方法7將改善電場的抗擾度，但同時會使磁 場的抗擾度降低。方法8則與方法7帶來的效果相反。所以，方法7和8并不是完善的解決方案。不管是電場還是磁場，使用方法1～6與9都會取得一定的效果， 但PCB設(shè)計(jì)的解決方法主要取決于方法3～6和9的綜合使用。
下面詳細(xì)闡述通過方法3～6和9解決問題的六條實(shí)踐法則及其原因所在。
一、保持環(huán)路面積最小

任意一個電路回路中有變化的磁通量穿過時，將會在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環(huán)路中通過的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小， 這就說明環(huán)路面積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗(yàn)的困難之處是如何找到環(huán)路。每個人都知道圖1中所示的環(huán)路，但要正確識別圖17中所示的環(huán)路則比較困難。

圖1、簡單的PCB回路

圖2、電源線與地線構(gòu)成的PCB回路

與其試著去找出所有可能的環(huán)路，還不如采取下列步驟來減小環(huán)路面積：
A、電源線與地線應(yīng)緊靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。圖18示例說明了電源線與地線同集成電路連接的幾種不同方法。

圖3、電源與地形成的環(huán)路面積的減小
B、多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)格狀。圖4和圖5說明了這一點(diǎn)：在這個典型的PCB設(shè)計(jì)中，PCB的一面布垂直線，而另一面則布水平線（此圖中僅畫出地線）。

如 圖4所示，這個典型的地線結(jié)構(gòu)會使環(huán)路面積很大，可以在雙面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積，如圖5所示。網(wǎng)格構(gòu)成的環(huán)路面積小得多，這將使感應(yīng)電流很 低，出現(xiàn)問題的可能性也較小。插在底板（或母板）PCB上的PCB板，應(yīng)該有多個地線和電源線節(jié)點(diǎn)，且在連接器長度方向上均勻布置。這將有利于減小整個系 統(tǒng)的環(huán)路面積。

圖4、典型的PCB地線結(jié)構(gòu)

圖5、地線網(wǎng)格

上述步驟A和B既可減小電源與地之間的環(huán)路面積，同時也可減小環(huán)路天線的效能，下面講的步驟C和D將降低天線及信號線的效率。

C、并聯(lián)的導(dǎo)線必須緊緊地放在一起，最好僅使用一條粗導(dǎo)線。圖6表明了這一原則。這就是說，地平面不應(yīng)有大的開口，因?yàn)檫@些開口如同平行導(dǎo)線一般，其作用等同于環(huán)路天線。

圖6、縮短平行路徑

D、信號線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。在每根信號線的旁邊安排一條地線。不過，這也許會產(chǎn)生很多平行地線。為了避免這個問題，如前所述，可采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單條地線。一個例子如圖22所示。在這里，假設(shè)由于某種原因信號線不能移動。

圖7、信號線與地線緊挨著布線

可在與信號線相對的一面上布置地線面，如圖8所示。實(shí)際上，將空余PCB部分填以地線面是個好辦法。

圖8、信號線與地線或地平面的分層布線
E、特別敏感的器件之間的較長的電源線或信號線應(yīng)每隔一定間隔與地線的位置對調(diào)一下。對調(diào)的含義是將一根導(dǎo)線從上移到下面，或從左邊移到右邊，另一根導(dǎo)線則做相反的調(diào)整。圖24表明了這種方法與減小環(huán)路面積的等同效果：對調(diào)有關(guān)導(dǎo)線后，只有較小的環(huán)路存在。
F、在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因?yàn)樵陟o電放電較低的頻率段，旁路電容的阻抗較低，在這些頻率處，旁路電容能有效減小電源與地間的環(huán)路面積。然而，在靜電放電較高的頻率段，由于寄生電感的影響，即使是高頻電容，其作用也很有限。
當(dāng)然，電源線與地線彼此靠得越近，濾波電容的效果就越不明顯。因?yàn)榄h(huán)路面積已經(jīng)足夠小了。圖9和10說明了這種效果。即使在每個元件旁邊都安裝旁路電容器，圖9中的電路仍有很大的環(huán)路面積。

圖9、安裝旁路電容器的大環(huán)路面積

圖10、安裝旁路電容的小環(huán)路面積
圖10 中所示的電路，由于將電源線與地線緊挨著放在一起布置，使得環(huán)路面積大大減小。然而，即使將電源線與地線并列分布，較長的導(dǎo)線仍會導(dǎo)致較大的環(huán)路面積。
二、使導(dǎo)線長度盡量短

天線要具有較高的效率，其長度必須是波長很大的一部分。這就是說，較長的導(dǎo)線將有利于接收靜電放電脈沖產(chǎn)生的更多的頻率成份；而較短的導(dǎo)線只能接收較少的頻率成分。因此，短導(dǎo)線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場中接收并饋入電路的能量較少。
使導(dǎo)線盡可能短是一個比是環(huán)路面積盡量小更容易實(shí)現(xiàn)的措施。因?yàn)樗幌笮盘柇h(huán)路那樣不容易識別，環(huán)路面積的盡可能小不可能立即看到，而導(dǎo)線的長短則是很顯然的。有關(guān)設(shè)計(jì)步驟如下：
a)使所有元件緊靠在一起，PCB設(shè)計(jì)人員不應(yīng)將元件過于分散而占用更多的面積；
b)在相關(guān)的元件組，相互之間具有很多互連線的元件應(yīng)彼此靠得很近。例如，I/O器件是與I/O連接器盡量靠得近些；
c)如有可能的話，從線路板的中心饋送電源或信號，而不要從線路板邊緣饋送，如圖27所示，中間的饋送信號使大多數(shù)元件的連線最短。當(dāng)線路板為正方形時，這樣做的效果最明顯，當(dāng)線路板狹長時，效果則不很明顯。但只要可能，還是應(yīng)該盡量這樣做。
前 面提出的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則主要針對靜電放電電流產(chǎn)生的場效應(yīng)。但值得注意的是，前面介紹的降低天線效率的方法，這也有助于防止共模噪聲轉(zhuǎn)化成會帶來更大麻煩 的差模噪聲，這在本章開始列出的一般性方法的第9條中已提及過。之所以有這樣的效果，是因?yàn)榍笆龅母鞣N步驟都有助于減小各種PCB回路的阻抗差異。例如， 規(guī)則一中的步驟D特別有用，因?yàn)檫@樣處理會使信號線與相關(guān)地線的回路阻抗幾乎相等。因此，串入到這兩條路徑中的共模噪聲在幅度上也很接近，產(chǎn)生的差模噪聲 極小。另外，PCB設(shè)計(jì)也能采取措施減小由于靜電場和電荷注入所帶來的問題。下面講述的規(guī)則就與這個問題有關(guān)，你會發(fā)現(xiàn)有幾個規(guī)則與前述規(guī)則相同。
三、盡可能在PCB上使用完整的地線面（建議采用多層板）

前 面已提到過，地線面有助于減小環(huán)路面積，同時也降低了接收天線的效率。地線面作為一個重要的電荷源，可抵消靜電放電源上的電荷，這有利于減小靜電場帶來的 問題。PCB地線面也可作為其對面信號線的屏蔽體（當(dāng)然，地線面的開口越大，其屏蔽效能就越低）。另外，如果發(fā)生放電，由于PCB板的地平面很大，電荷很 容易注入到地線面中，而不是進(jìn)入到信號線中。這樣將有利于對元件進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)樵谝鹪p壞前，電荷可以泄放掉。（然而，即使泄放到地的電荷也可能損壞 器件，應(yīng)采取措施加以避免）
四、加強(qiáng)電源線和地線之間的電容耦合

電源線與地線間的耦合通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)，這在前面已經(jīng)提到過。
A、使電源線與地線靠得很近，或采用多層PCB板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生更多的寄生電容。
B、 在電源線與地線之間接入高頻旁路電容（電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場合）。電源線與地線間的耦合將有助于減小電荷注入問題。兩個物體之 間由各個物體上電荷量的差異造成的電壓取決于兩者（V=Q/C）間的電容。如果X庫侖的電荷注入到電源線中，就會在電源線和地線間產(chǎn)生Y伏的電壓。如果電 源線與地線間的電容增加一倍，X庫侖的電荷將僅僅產(chǎn)生Y/2伏的電壓。當(dāng)然，這個較小的電壓造成損壞的可能性也相應(yīng)減小。
五、隔離電子元件與靜電放電電荷源

在靜電放電效應(yīng)的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過隔離來解決。對于PCB設(shè)計(jì)，這主要指將電子儀器與可能的電荷源隔離開，也與連接器端口或感應(yīng)電流趨于集中的信號線相隔離?？刹扇∫韵聝蓚€步驟來進(jìn)行隔離：
A、使電子元件與PCB走線遠(yuǎn)離會暴露在靜電放電中的PCB部分（例如，操作人員可直接觸摸到的地方）。
B、使電子元件和PCB走線遠(yuǎn)離會暴露在靜電放電中的任意一個金屬物體（包括螺釘、機(jī)架、連接器外殼等）。后一個要求小于下面的設(shè)計(jì)規(guī)則相關(guān)聯(lián)。
六、PCB上的機(jī)殼地線的阻抗要低，隔離要好

盡管PCB軌線上的阻焊層有利于隔離PCB走線，但阻焊層可能會導(dǎo)致插針孔發(fā)生電弧。
A、隔離機(jī)殼地線的最好方法是使之遠(yuǎn)離電子儀器。另外，如果機(jī)殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易于通過，就不會發(fā)生電弧。當(dāng)然，如此迅速的電荷泄放會產(chǎn)生更強(qiáng)的場，但這比電荷通過電弧直接注入到電路中好得多。
B、機(jī)殼地線的長度不能超過其寬度的四或五倍。比這個比例更寬的地線僅能使其阻抗（電感）稍微減小，但是更窄的地線卻會使其阻抗大幅度增加。這個長寬比例意味著機(jī)殼地線必須很短才行，否則當(dāng)?shù)鼐€增長時，其寬度要很寬。
設(shè)計(jì)規(guī)則的優(yōu)先級

至此，關(guān)于防止靜電放電危害的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)的討論已告一段落。當(dāng)然，有些時候，這些規(guī)則不能全部滿足。這時，必須有意識地對一些東西進(jìn)行取舍。本章開始部分提出三類潛在的靜電放電危害可用于確定處理靜電放電問題的一般順序。通常是采用以下順序來進(jìn)行考慮：
1、防止電荷注入到系統(tǒng)電路，因?yàn)檫@會造成損壞電路。
2、防止靜電放電電流產(chǎn)生的場帶來的問題。
3、防止靜電場。
所幸的是，這些規(guī)則的大部分都是兼容的，在典型的PCB設(shè)計(jì)中，所有的問題都可以得到很好的解決。
PCB設(shè)計(jì)指南總結(jié)

對于靜電放電問題的解決方案，可按以下十二條規(guī)則來進(jìn)行（按優(yōu)先順序排列）：
1、PCB上的非絕緣機(jī)殼地線必須與其他走線相距至少2.2毫米。這適用于連接到機(jī)殼地上的所有物體，包括軌線；
2、機(jī)殼地線的長度不應(yīng)超過其寬度的五倍；
3、使未絕緣的電路與操作人員可觸摸到的PCB區(qū)域或未接地的金屬物體相隔至少2厘米以上；
4、電源線與地線要么并排平行地放在PCB的同一層上，要么放在相鄰的兩層；
5、 地平面和地線必須連成網(wǎng)格狀。在任意一個方向上，垂直地線與水平地線至少每隔6厘米連接一次。尤其是雙面PCB板，也就是說，PCB板的第一層可以布水平 的地線，而第二層可布垂直的地線，必須至少每隔6厘米放置一個過孔以將兩者相連（當(dāng)然，在小于6厘米的地方進(jìn)行連接是更好的，地平面比地線網(wǎng)格要好一 些）；
6、所有信號線必須在地線面邊緣或地線以內(nèi)13毫米以上。地線既可以布在與信號線相同的層，也可布在與之
緊挨著的層上。如果信號線的長度達(dá)到30厘米或其以上，則必須在其旁邊放置一根地線，在信號線上方或其
相鄰面上放置地線也是可以的；
7、電源線與地線之間跨接的旁路電容器，彼此之間的距離不能大于8厘米（這樣每片集成塊可能會有多個旁路
電容相連）；
8、相互之間連線較多的元件要靠在一起；
9、所有元件必須盡可能靠近I/O連接器（注意，首先應(yīng)滿足第3條）；
10、將PCB的空余部分全部填以地線（應(yīng)注意在每隔6厘米的地方進(jìn)行連接以產(chǎn)生地線網(wǎng)格）；
11、如可能的話，將饋送電源線或信號線從PCB板的邊緣中心處引出，而不應(yīng)從某一個角上引出來。
12、對于特別敏感且較長的信號線（30厘米或更長），應(yīng)每隔一定間隔與其地線對調(diào)。
注意：這些設(shè)計(jì)規(guī)則必須應(yīng)用到系統(tǒng)內(nèi)的所有PCB板上（例如主板及插在上面的板卡）。例如，當(dāng)應(yīng)用第2條時，機(jī)殼地線長度包括母板與子板所有地線的長度之和。

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