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硬件開發

PCB板抗ESD設計


電子設備中PCB板的抗ESD設計方法

在電子產品的設計過程中,設計者通常在產品進入到生產環節時才著手考慮抗靜電釋放(ESD)的問題.為了能使電子設備通過抗靜電釋放測試,而又不破壞原有的設計,最終解決方案通常都采用了昂貴的元器件,還要在制造過程中進行手工裝配,甚至需要重新設計PCB板,產品的進度勢必受到影響.因此,在設計電子產品的PCB板過程中就需要考慮其優化ESD防護問題.

一、ESD對電子設備的影響

電子產品設計中必須遵循抗靜電釋放(ESD)的設計規則,因為大多數電子設備在生命期內99%的時間都處于一個充滿ESD的環境之中,尤其是目前便攜產品中越來越多的采用低功率邏輯芯片,它們大多數都是以CMOS工藝為基礎來設計和制造的,由于金屬氧化半導體(MOS)電介質擊穿和雙極反向結電流的限制,使得這些IC芯片對ESD非常敏感.另外,大多數的I/O端口(尤其是USB端口)都是熱插拔系統,極易受到由用戶或空氣放電造成的ESD影響.ESD可能來自人體、家具、甚至設備自身內部.盡管電子設備完全遭受ESD損毀比較少見,然而ESD干擾卻很常見,ESD干擾可能會導致設備鎖死、復位、數據丟失或可靠性下降,甚至有可能造成數據位重影、產品損壞直至造成電子設備”硬故障”或元器件損壞.其結果可能是:在寒冷干燥的冬季電子設備經常出現故障現象,但是維修時又顯示正常,這樣勢必影響用戶對電子設備及其制造商的信心.由此可見,在電子產品設計尤其是其PCB板的設計過程中就考慮ESD防護是非常必要的.

二、ESD產生的機理

ESD是什么?ESD又是怎樣進入電子設備的?當一個充電的導體接近另一個導體時,就有可能發生ESD.首先,兩個導體之間會建立一個很強的電場,產生電場引起的擊穿.兩個導體之間的電壓超過它們之間空氣和絕緣介質的擊穿電壓時,就會產生電弧.在0.7ns到1 0ns的時間里,電弧電流會達到幾十安培,有時甚至會超過1 00A.電弧將一直維持直到兩個導體接觸短路或者電流低到不能維持電弧為止.ESD的產生取決于物體的起始電壓、電阻、電感和寄生電容,例如:人體、帶電器件和機器可能產生電弧,手或金屬物體可能產生尖峰電弧,家具可能產生同極性或者極性變化的多個電弧.ESD可以通過以下五種耦合途徑進入電子設備:

(1)初始的電場能容性耦合到表面積較大的網絡上,并在離ESD電弧1 00mm處產生高達4000V/m的高壓.(2)電弧注入的電荷/電流可以產生以下的損壞和故障:①穿透元器件內部薄的絕緣層,損毀MOSF ET和CMOS元器件的柵極(常見).②CMOS器件中的觸發器鎖死(常見).③短路反偏的PN結(常見).④短路正向偏置的PN結(少見).⑤熔化有源器件內部的焊接線或鋁線(少見).(3)電流會導致導體上產生電壓脈沖(V=L×dI/dt),這些導體可能是電源、地或信號線,這些電壓脈沖將進入與這些網絡相連的每一個元器件(常見).(4)電弧會產生一個頻率范圍在1 M Hz到500M Hz的強磁場,并感性耦合到臨近的每一個布線環路,在離ESD電弧1 00mm遠的地方產生高達1 5A/m的電流.(5)電弧輻射的電磁場會耦合到長的信號線上,這些信號線起到接收天線的作用(少見).可見,ESD頻率范圍寬,可能通過各種各樣的耦合途徑找到設備的薄弱點.

為了防止ESD干擾和損毀,通常應從以下三個方面入手來綜合考慮設備的抗ESD能力:

元器件的選擇:如考慮芯片的ESD容量、使用瞬態電壓抑止器(TVS)二極管陣列等;PCB版圖設計:如盡量增大接地面積、縮短PCB走線等;

機械設計:如采用塑料機箱、空氣空間等屏蔽措施以有效解決ESD問題.

其中PCB版圖設計是優化ESD防護的一個最關鍵要素,合理的PCB設計可以減少故障檢查及返工所帶來的不必要成本.

三、PCB板的抗ESD設計方法

通過分析ESD的產生機理和它的危害,設計者可以從以下幾個方面來考慮優化ESD防護的PCB設計方案:

3.1減少電路環路面積

電流通過感應進入到封閉的電路環路,這些環路同時具有變化的磁通量.環路的面積與電流的幅度成正比.環路的面積越大,包含的磁通量也就越大,因而在電路中感應的電流也就越強.因此,在設計時就必須盡可能地減少環路面積.

圖1所示的是一種最常見的電路環路,由電源和地線所形成.在條件可能的情況下,可以采用具有電源及接地層的多層PCB設計.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,同時也減小了ESD脈沖產生的高頻EM I電磁場.

常見的電路環路

如果采用多層電路板受到條件的限制,那么電源線和接地線就必須采用如圖2所示的網格結構.這種網格結構的柵格尺寸小于等于60mm,如果可能,柵格尺寸最好小于1 3 mm(0.5in.).在垂直和水平線或填充區之間,要盡可能多地連接.另外,將電源和接地印制線盡可能靠近也可以降低環路面積,如圖3所示.

還有一個減少環路面積及感應電流的方法是減小互連器件間的平行通路,如圖4所示.

圖 4 縮短平行通路以減少環路面積

3.2縮短電路連線長度

長的信號線可成為接收ESD脈沖能量的天線,在設計中要盡量使用小于30cm的信號線以降低信號線作為接收ESD電磁場天線的效率.而且要盡量把互連的器件放在相鄰位置,使互連的印制線長度盡可能的短.

當必須采用信號連接線長于30cm時,可以采用保護線,如圖5所示.在信號線附近應放置地層,信號線距接地線層(或保護線)的距離應小于1 3 mm(0.5in.).

圖 5 信號連線大于30cm時采用保護線

另外一個辦法是將長于30cm信號線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則間隔布置,如圖6所示.

圖 6 長信號線或電源線與其接地線間的交叉布置

3.3用TVS二極管保護所有的外部連接

在電源線上增加TVS器件有助于解決來自電源端口的接到電源ESD問題,連接到Vcc和地的TVS可以防止電源出現ESD干擾,但應考慮保護電路中的寄生電感問題.

在ESD事件發生時,TVS二極管通路中的寄生電感會產生嚴重的電壓過沖.盡管使用了TVS二極管,保護電路能承受的總電壓是TVS二極管鉗位電壓與寄生電感產生的電壓之和:V T=V C+VL,由于在電感負載兩端的感應電壓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.一個ESD瞬態感應電流在小于1 ns的時間內就能達到峰值(依據IEC 61 000-4-2標準),例如:引線電感為每英寸20nH,線長為四分之一英寸,那么,過沖電壓將是50V/1 0A的脈沖.因此,在設計時要將分流通路設計得盡可能短,以減少寄生電感效應.在設計所有的電感性通路時,必須考慮采用接地回路,即: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.為了減少接地平面的寄生電感,要盡可能縮短TVS二極管的接地和被保護電路的接地點之間的距離.

3.4減少地電荷注入

在ESD對地線層的直接放電時,敏感電路可能會遭到損壞.因此,在使用TVS二極管以防止電源出現ESD干擾的同時還必須使用一個或多個高頻旁路電容器,如圖7所示.這些電容器接在易損元件的電源和地之間.旁路電容可以減少地電荷的注入,使得電源與接地端口的電壓差被鉗制.TVS使感應電流分流,保持TVS鉗位電壓的電位差.另外,TVS及電容器應放在距被保護的IC盡可能近的位置,為了減少寄生電感效應,要確保TVS到地通路以及電容器管腳長度最短.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.


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

3.5 PCB抗ESD設計的其它準則

(1)避免在PCB邊緣安排重要的信號線,如時鐘和復位信號等;(2)將PCB上未使用的部分設置為接地面;(3)機殼地線與信號線間隔至少為4mm;(4)保持機殼地線的長寬比小于5:1,以減少電感效應;

總結

在電子產品設計中必須遵循抗靜電釋放(ESD)的設計規則,以上介紹的靜電釋放(ESD)產生的原理,以及解決PCB設計中的抗ESD問題的一些基本原則,將有助于預防并解決靜電釋放對電子設備產生的危害.全面掌握ESD保護技巧,從而提高電子產品可靠性,是有待于電子設備設計人員繼續研究和關注的問題.

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