PCB中抗ESD的設(shè)計

　　來自人體、環(huán)境甚至電子設(shè)備內(nèi)部的靜電對于精密的半導(dǎo)體芯片會造成各種損傷，為了消除靜電釋放（ESD）對電子設(shè)備的干擾和破壞，需要采取多種技術(shù)手段進行防范。合理的PCB 設(shè)計可以減少故障檢查及返工所帶來的不必要成本。文章從分層、恰當?shù)牟季植季€和安裝等方面介紹了PCB 中的抗ESD 設(shè)計。

　　日常生活中，ESD （Electro-Static Discharge，靜電放電）對于我們來說是一種常見的現(xiàn)象，然而對電子產(chǎn)品而言，ESD 往往是致命的——它可能導(dǎo)致元器件內(nèi)部線路受損，直接影響產(chǎn)品的正常使用壽命，甚至造成產(chǎn)品的損壞。例如穿透元器件內(nèi)部薄的絕緣層；損毀MOSFET 和CMOS 元器件的柵極；CMOS 器件中的觸發(fā)器鎖死；短路反偏的PN 結(jié)；短路正向偏置的PN 結(jié)；熔化有源器件內(nèi)部的焊接線或鋁線。因此，ESD 防護一直以來都是工程師們的工作重點。在PCB 板的設(shè)計當中，要達到期望的抗ESD 能力，使之具有最強的ESD 防范性能，可以通過分層、恰當?shù)牟季植季€和安裝實現(xiàn)PCB 的抗ESD 設(shè)計。以下是一些常見的防范措施。

　　（一）分層

　　盡可能使用多層PCB，在多層PCB 中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信號線的屏蔽體（當然，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，而不是進入到信號線中。這樣將有利于對元件進行保護，因為在引起元件損壞前，電荷可以泄放掉。當然在某些方案中為降低成本，只能使用雙面板。

　　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-地線間距能夠減小共模阻抗（common

　　impedance）和感性耦合，使之達到雙面PCB 的1/10 到1/100。同時盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB，可以考慮使用內(nèi)層線。大多數(shù)的信號線以及電源和地平面都在內(nèi)層上，因而類似于具備屏蔽功能的法拉第盒。

　　圖1

　　對于雙面PCB 來說，要采用緊密交織的電源和地柵格，如圖1 所示。電源線緊靠在垂直和水平線或填充區(qū)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(yīng)小于13mm（0.5 英寸）。

　?。ǘ╇娐翻h(huán)路

　　電流通過感應(yīng)進入到電路環(huán)路，這些環(huán)路是封閉的，并具有變化的磁通量。電流的幅度與環(huán)的面積成正比。較大的環(huán)路包含有較多的磁通量，因而在電路中感應(yīng)出較強的電流。因此，必須減少環(huán)路面積。

　　圖2

　　最常見的環(huán)路如圖2 所示，由電源和地線所形成。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB 設(shè)計。前面的多層PCB 設(shè)計就是將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了ESD 脈沖產(chǎn)生的高頻EMI 電磁場。

　　同時我們要確保信號線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。減少環(huán)路面積及感應(yīng)電流的另一個方法是減小互連器件間的平行通路。如圖3 所示

　　圖3

　　當必須采用長于30 厘米的信號連接線時，可以采用保護線。一個更好的辦法是在信號線附近放置地層。信號線應(yīng)該距保護線或接地線層13 毫米以內(nèi)。如圖4 所示

　　圖4

　　將每個敏感元件的長信號線（》30 厘米）或電源線與其接地線進行交叉布置。交叉的連線必須從上到下或從左到右的規(guī)則間隔布置。如圖5 所示

　　圖5

　?。ㄈ╇娐愤B線長度

　　要確保信號線盡可能短。因為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。信號線的長度大于300mm（12 英寸）時，一定要平行布一條地線，在信號線上方或其相鄰面上放置地線也是可以的。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；以減少互連的印制線長度。

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　　ESD 對地線層的直接放電可能損壞敏感電路。在使用TVS二極管的同時還要使用一個或多個高頻旁路電容器，這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。如圖6 所示。旁路電容減少了電荷注入，保持了電源與接地端口的電壓差。TVS使感應(yīng)電流分流，保持TVS 鉗位電壓的電位差。TVS 及電容器應(yīng)放在距被保護的IC 盡可能近的位置，要確保TVS 到地通路以及電容器管腳長度為最短，以減少寄生電感效應(yīng)。

　　圖6

　?。ㄎ澹?a href="http://ttokpm.com/tags/保護電路/" target="_blank">保護電路中的寄生電感

　　TVS 二極管通路中的寄生電感在發(fā)生ESD 事件時會產(chǎn)生嚴重的電壓過沖。盡管使用了TVS 二極管，由于在電感負載兩端的感應(yīng)電壓VL=L×di/dt，過高的過沖電壓仍然可能超過被保護IC 的損壞電壓閾值。

　　保護電路承受的總電壓是TVS 二極管鉗位電壓與寄生電感產(chǎn)生的電壓之和，VT=VC+VL。一個ESD 瞬態(tài)感應(yīng)電流在小于1ns 的時間內(nèi)就能達到峰值（依據(jù)IEC 61000-4-2 標準），假定引線電感為每英寸20nH，線長為四分之一英寸，過沖電壓將是50V/10A 的脈沖。經(jīng)驗設(shè)計準則是將分流通路設(shè)計得盡可能短，以此減少寄生電感效應(yīng)。

　　所有的電感性通路必須考慮采用接地回路，TVS 與被保護信號線之間的通路，以及連接器到TVS 器件的通路。被保護的信號線應(yīng)該直接連接到接地面，若無接地面，則接地回路的連線應(yīng)盡可能短。TVS 二極管的接地和被保護電路的接地點之間的距離應(yīng)盡可能短，以減少接地平面的寄生電感。

　　最后，TVS 器件應(yīng)該盡可能靠近連接器以減少進入附近線路的瞬態(tài)耦合。雖然沒有到達連接器的直接通路，但這種二次輻射效應(yīng)也會導(dǎo)致電路板其它部分的工作紊亂。

　?。┭b配

　　PCB 裝配時，不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內(nèi)嵌墊圈的螺釘來實現(xiàn)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(shè)置相同的“隔離區(qū)”；如果可能，保持間隔距離為0.64mm（0.025 英寸）。在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置，每隔100mm（4.0 英寸）沿機箱地線將機箱地和電路地用1.27mm 寬（0.050 英寸）的線連接在一起。與這些連接點的相鄰處，在機箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤或安裝孔。這些地線連接可以用刀片劃開，以保持開路；或用磁珠/高頻電容的跳接，以改變ESD 測試時的接地機制。

　　如果電路板不會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上不能涂阻焊劑，這樣它們可以作為ESD 電弧的放電棒。

　　要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個環(huán)形地：除邊緣連接器以及機箱地以外，在整個外圍四周放上環(huán)形地通路；確保所有層的環(huán)形地寬度大于2.5mm （0.1 英寸）；每隔13mm（0.5英寸）用過孔將環(huán)形地連接起來；將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起；對安裝在金屬機箱或者屏蔽裝置里的雙面板來說，應(yīng)該將環(huán)形地與電路公共地連接起來；不屏蔽的雙面電路則應(yīng)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）上的某個位置處至少放置一個0.5mm 寬（0.020 英寸）的間隙，這樣可以避免形成一個大的環(huán)路；信號布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。如果一個機箱或者主板要內(nèi)裝幾個電路卡，應(yīng)該將對靜電最敏感的電路卡放在最中間。

　　PCB 上的機殼地線的阻抗要低，隔離要好。如果機殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易于通過，就不會發(fā)生電弧。當然，如此迅速的電荷泄放會產(chǎn)生更強的場，但這比電荷通過電弧直接注入到電路中好得多。另外，機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殼地線必須很短才行，否則當?shù)鼐€增長時，其寬度要很寬。

　?。ㄆ撸㏄CB 設(shè)計的其它準則

　　1.復(fù)位線、中斷信號線或者邊沿觸發(fā)信號線不能布置在靠近PCB 邊沿的地方；

　　2.將PCB 上未使用的部分設(shè)置為接地面；

　　3.機殼地線與信號線間隔至少為4 毫米；

　　4.保持機殼地線的長寬比小于5∶1，以減少電感效應(yīng)；

　　5.用TVS 二極管來保護所有的外部連接；

　　6.確保每一個電路盡可能緊湊。盡可能將所有連接器都放在一邊。I/O 電路要盡可能靠近對應(yīng)的連接器。

　　7.PCB 要插入機箱內(nèi)，不要安裝在開口位置或者內(nèi)部接縫處。