實戰(zhàn)經(jīng)驗：PCB板的ESD保護電路設計

admin · 發(fā)表于 2021-4-13 18:09:22

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來自人體、環(huán)境甚至電子設備內(nèi)部的靜電對于精密的半導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;短路正向偏置的PN結;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)對電子設備的干擾和破壞,需要采取多種技術手段進行防范。

在PCB板的設計當中,可以通過分層、恰當?shù)牟季植季€和安裝實現(xiàn)PCB的抗ESD設計。在設計過程中,通過預測可以將絕大多數(shù)設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)品的測試結果發(fā)現(xiàn)，這個ESD是一項很重要的測試：如果電路板設計的不好，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)。從學習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設計沒有設計好，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

這也是設計中經(jīng)常用到的一種方法，典型做法就是在關鍵信號線并聯(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成的微帶線層使用尖端相互對準的三角銅皮構成，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，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，在實際電路設計中減小了設計的復雜度。

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，甚至會帶來嚴重后果，但是，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的連接器。

■對易受ESD影響的電路,應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擊中的電纜驅動器,也可以考慮在驅動端放置串聯(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)絡的中心位置驅動信號進入多個接收電路。