PCB中抗ESD的設(shè)計(jì)

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

　　日常生活中，ESD （Electro-Static Discharge，靜電放電）對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，然而對(duì)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(hù)一直以來(lái)都是工程師們的工作重點(diǎn)。在PCB 板的設(shè)計(jì)當(dāng)中，要達(dá)到期望的抗ESD 能力，使之具有最強(qiáng)的ESD 防范性能，可以通過(guò)分層、恰當(dāng)?shù)牟季植季€和安裝實(shí)現(xiàn)PCB 的抗ESD 設(shè)計(jì)。以下是一些常見(jiàn)的防范措施。

　?。ㄒ唬┓謱?/p>

　　盡可能使用多層PCB，在多層PCB 中地線面作為一個(gè)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(chǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。PCB 地線面也可作為其對(duì)信號(hào)線的屏蔽體（當(dāng)然，地線面的開(kāi)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(hào)線中。這樣將有利于對(duì)元件進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)樵谝鹪p壞前，電荷可以泄放掉。當(dāng)然在某些方案中為降低成本，只能使用雙面板。

　　多層PCB 相對(duì)于雙面PCB 而言，地平面和電源平面以及排列緊密的信號(hào)線-地線間距能夠減小共模阻抗（common

　　impedance）和感性耦合，使之達(dá)到雙面PCB 的1/10 到1/100。同時(shí)盡量地將每一個(gè)信號(hào)層都緊靠一個(gè)電源層或地線層。對(duì)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(hào)線以及電源和地平面都在內(nèi)層上，因而類(lèi)似于具備屏蔽功能的法拉第盒。

　　圖1

　　對(duì)于雙面PCB 來(lái)說(shuō)，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(guò)感應(yīng)進(jìn)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(qiáng)的電流。因此，必須減少環(huán)路面積。

　　圖2

　　最常見(jiàn)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(jì)。前面的多層PCB 設(shè)計(jì)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(chǎng)。

　　同時(shí)我們要確保信號(hào)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(gè)方法是減小互連器件間的平行通路。如圖3 所示

　　圖3

　　當(dāng)必須采用長(zhǎng)于30 厘米的信號(hào)連接線時(shí)，可以采用保護(hù)線。一個(gè)更好的辦法是在信號(hào)線附近放置地層。信號(hào)線應(yīng)該距保護(hù)線或接地線層13 毫米以?xún)?nèi)。如圖4 所示

　　圖4

　　將每個(gè)敏感元件的長(zhǎng)信號(hào)線（》30 厘米）或電源線與其接地線進(jìn)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(zhǎng)度

　　要確保信號(hào)線盡可能短。因?yàn)?a target="_blank">天線要具有較高的效率，其長(zhǎng)度必須是波長(zhǎng)很大的一部分。這就是說(shuō)，較長(zhǎng)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(chǎng)中接收并饋入電路的能量較少。信號(hào)線的長(zhǎng)度大于300mm（12 英寸）時(shí)，一定要平行布一條地線，在信號(hào)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(zhǎng)度。

　?。ㄋ模┑仉姾勺⑷?/p>

　　ESD 對(duì)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(shí)還要使用一個(gè)或多個(gè)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(hù)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(zhǎng)度為最短，以減少寄生電感效應(yīng)。

　　圖6

　?。ㄎ澹?a href="http://wenjunhu.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)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(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓過(guò)沖。盡管使用了TVS 二極管，由于在電感負(fù)載兩端的感應(yīng)電壓VL=L×di/dt，過(guò)高的過(guò)沖電壓仍然可能超過(guò)被保護(hù)IC 的損壞電壓閾值。

　　保護(hù)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(gè)ESD 瞬態(tài)感應(yīng)電流在小于1ns 的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到峰值（依據(jù)IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)），假定引線電感為每英寸20nH，線長(zhǎng)為四分之一英寸，過(guò)沖電壓將是50V/10A 的脈沖。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是將分流通路設(shè)計(jì)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(hù)信號(hào)線之間的通路，以及連接器到TVS 器件的通路。被保護(hù)的信號(hào)線應(yīng)該直接連接到接地面，若無(wú)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(hù)電路的接地點(diǎn)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(jìn)入附近線路的瞬態(tài)耦合。雖然沒(méi)有到達(dá)連接器的直接通路，但這種二次輻射效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致電路板其它部分的工作紊亂。

　　（六）裝配

　　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(nèi)嵌墊圈的螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB 與金屬機(jī)箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。在每一層的機(jī)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(jī)箱地線將機(jī)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(diǎn)的相鄰處，在機(jī)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，以改變ESD 測(cè)試時(shí)的接地機(jī)制。

　　如果電路板不會(huì)放入金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置中，在電路板的頂層和底層機(jī)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?chē)O(shè)置一個(gè)環(huán)形地：除邊緣連接器以及機(jī)箱地以外，在整個(gè)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(guò)孔將環(huán)形地連接起來(lái)；將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起；對(duì)安裝在金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置里的雙面板來(lái)說(shuō)，應(yīng)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(yīng)該將環(huán)形地連接到機(jī)箱地，環(huán)形地上不能涂阻焊劑，以便該環(huán)形地可以充當(dāng)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（0.020 英寸）的間隙，這樣可以避免形成一個(gè)大的環(huán)路；信號(hào)布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。如果一個(gè)機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個(gè)電路卡，應(yīng)該將對(duì)靜電最敏感的電路卡放在最中間。

　　PCB 上的機(jī)殼地線的阻抗要低，隔離要好。如果機(jī)殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易于通過(guò)，就不會(huì)發(fā)生電弧。當(dāng)然，如此迅速的電荷泄放會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的場(chǎng)，但這比電荷通過(guò)電弧直接注入到電路中好得多。另外，機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不能超過(guò)其寬度的四或五倍。比這個(gè)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(huì)使其阻抗大幅度增加。這個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，其寬度要很寬。

　?。ㄆ撸㏄CB 設(shè)計(jì)的其它準(zhǔn)則

　　1.復(fù)位線、中斷信號(hào)線或者邊沿觸發(fā)信號(hào)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(jī)殼地線與信號(hào)線間隔至少為4 毫米；

　　4.保持機(jī)殼地線的長(zhǎng)寬比小于5∶1，以減少電感效應(yīng)；

　　5.用TVS 二極管來(lái)保護(hù)所有的外部連接；

　　6.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。I/O 電路要盡可能靠近對(duì)應(yīng)的連接器。

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