實戰(zhàn)經(jīng)驗：PCB板的ESD保護電路設(shè)計

admin · 發(fā)表于 2021-4-13 18:09:22

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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,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。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。

在PCB板的設(shè)計當中,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。在設(shè)計過程中,通過預(yù)測可以將絕大多數(shù)設(shè)計修改僅限于增減元器件。通過調(diào)整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。

幾種典型的通用ESD保護電路

CAN Bus保護

數(shù)據(jù)線及接口保護

分享個人的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(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個ESD是一項很重要的測試：如果電路板設(shè)計的不好，當引入靜電后，會引起產(chǎn)品的死機甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會損壞元器件，沒有想到，對于電子產(chǎn)品也要引起足夠的重視。

ESD，也就是我們常說的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學(xué)習(xí)過的知識中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生，其特點是長時間積聚、高電壓(可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的靜電)、低電量、小電流和作用時間短的特點。對于電子產(chǎn)品來說，如果ESD設(shè)計沒有設(shè)計好，常常造成電子電器產(chǎn)品運行不穩(wěn)定，甚至損壞。

在做ESD放電測試時通常采用兩種方法：接觸放電和空氣放電。

接觸放電就是直接對待測設(shè)備進行放電;空氣放電也稱為間接放電，是強磁場對鄰近電流環(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(qū)要求不一樣，因此在設(shè)計之前，先要弄清楚產(chǎn)品針對的市場。

以上兩種情況是針對人體在接觸到電子產(chǎn)品時，因人體帶電或其他原因引起電子產(chǎn)品不能工作而進行的基本測試。

全球各地的濕度情況不一樣，但是同時在一個地區(qū)，若空氣濕度不一樣，產(chǎn)生的靜電也不相同。通過搜集到數(shù)據(jù)從中可以看出靜電隨著空氣濕度的減小而變大。這也間接的說明北方的冬天，脫毛衣時產(chǎn)生的靜電火花很大的原因。“既然靜電這么大的危害，我們?nèi)绾芜M行防護呢？我們在進行靜電防護設(shè)計時通常分三步走：防止外部電荷流入電路板而產(chǎn)生損壞；防止外部磁場對電路板產(chǎn)生損壞；防止靜電場產(chǎn)生的危害。

在實際電路設(shè)計中我們會采用以下幾種方法的一種或幾種來進行靜電保護：

1.雪崩二極管來進行靜電保護

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

2.使用高壓電容進行電路保護

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，同時連接線盡可能的短，以便減小連接線的感抗。若采用了耐壓低的電容，會引起電容的損壞而失去保護的作用。

3.采用鐵氧磁珠進行電路保護

鐵氧磁珠可以很好的衰減ESD電流，并且還能抑制輻射。當面臨著兩方面問題時，一個鐵氧磁珠會是一個很不錯的選擇。

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(gòu)成的微帶線層使用尖端相互對準的三角銅皮構(gòu)成，三角銅皮一端連接在信號線，另一個三角銅皮連接地。當有靜電時會產(chǎn)生尖端放電進而消耗電能。

5.采用LC濾波器的方法進行保護電路

LC組成的濾波器可以有效的減小高頻靜電進入電路。電感的感抗特性能很好的抑制高頻ESD進入電路，而電容又分流了ESD的高頻能量到地。同時，該類型的濾波器還可以圓滑信號邊緣而較小RF效應(yīng)，性能方面在信號完整性方面又有了進一步的提高。

6.多層板進行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，由于有了一個完整的地平面靠近走線，這樣可以使ESD更加快捷的耦合到低阻抗平面上，進而保護關(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圍畫出不加組焊層的走線。在條件允許的情況下將該走線連接至外殼，同時要注意該走線不能構(gòu)成一個封閉的環(huán)，以免形成環(huán)形天線而引入更大的麻煩。

8.采用有鉗位二極管的CMOS器件或者TTL器件進行電路的保護

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

9.多采用去耦電容

這些去耦電容要有低的ESL和ESR數(shù)值，對于低頻的ESD來說，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?xí)䦷韲乐睾蠊�，只有保護好電路上電源和信號線，那么就能有效的防止ESD的電流流入PCB中。其中，我老大經(jīng)常說的一句“一個板子的良好接地才是王道”，希望這句話也能給大家?guī)泶蚱铺齑暗男Ч?/span>

下面將提到更多保護細節(jié)：

■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-地線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。

■對于雙面PCB來說,要采用緊密交織的電源和地柵格。電源線緊靠地線,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。

■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。

■如果可能,將電源線從卡的中央引入,并遠離容易直接遭受ESD影響的區(qū)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的距離用過孔將它們連接在一起。

■在卡的邊緣上放置安裝孔,安裝孔周圍用無阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機箱地上。

■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。

■在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置,每隔100mm沿機箱地線將機箱地和電路地用1.27mm寬的線連接在一起。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。

■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電弧的放電極。

■要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個環(huán)形地：

(1)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。

(2)確保所有層的環(huán)形地寬度大于2.5mm。

(3)每隔13mm用過孔將環(huán)形地連接起來。

(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。

■在能被ESD直接擊中的區(qū)域,每一個信號線附近都要布一條地線。

■I/O電路要盡可能靠近對應(yīng)的連接器。

■對易受ESD影響的電路,應(yīng)該放在靠近電路中心的區(qū)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(qū)動器,也可以考慮在驅(qū)動端放置串聯(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(長度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)連接到機箱地。從連接器出來的信號線和地線要直接接到瞬態(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(nèi),要放置濾波電容。

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

(2)信號線和地線先連接到電容再連接到接收電路。

■要確保信號線盡可能短。

■信號線的長度大于300mm時,一定要平行布一條地線。

■確保信號線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對于長信號線每隔幾厘米便要調(diào)換信號線和地線的位置來減小環(huán)路面積。

■從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動信號進入多個接收電路。