PCB設(shè)計中的ESD詳解

PCB布線是ESD防護的一個關(guān)鍵要素，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。在PCB設(shè)計中，由于采用了瞬態(tài)電壓抑止器(TVS)二極管來抑止因ESD放電產(chǎn)生的直接電荷注入，因此PCB設(shè)計中更重要的是克服放電電流產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)電磁場效應(yīng)。本文將提供可以優(yōu)化ESD防護的PCB設(shè)計準則。

電路環(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。

最常見的環(huán)路，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。多層電路板不僅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。

如果不能采用多層電路板，那么用于電源線和接地的線必須連接成如圖2所示的網(wǎng)格狀。網(wǎng)格連接可以起到電源和接地層的作用，用過孔連接各層的印制線，在每個方向上過孔連接間隔應(yīng)該在6厘米內(nèi)。另外，在布線時，將電源和接地印制線盡可能靠近也可以降低環(huán)路面積。

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。

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)。

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。

電路連線長度

長的信號線也可成為接收ESD脈沖能量的天線，盡量使用較短信號線可以降低信號線作為接收ESD電磁場天線的效率。

盡量將互連的器件放在相鄰位置，以減少互連的印制線長度。

地電荷注入

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。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)。

連接器必須安裝到PCB上的銅鉑層。理想情況下，銅鉑層必須與PCB的接地層隔離，通過短線與焊盤連接。

PCB設(shè)計的其它準則

1. 避免在PCB邊緣安排重要的信號線，如時鐘和復(fù)位信號等;

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;

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。