昆山PCB設(shè)計的ESD優(yōu)化準則

　　

　　靜電和靜電放電在我們的日常生活中無處不見，但對電子器件來說，一次我們無法察覺的輕微靜電放電就可能對其造成嚴重的損傷。電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)讓電子產(chǎn)品的功能越來越強大，體積卻越來越小，但這都是以電子元器件的靜電敏感度越來越高為代價的。這是因為，高的集成度意味著單元線路會越來越窄，耐受靜電放電的能力越來越差，此外大量新發(fā)展起來的特種器件所使用的材料也都是靜電敏感材料，從而讓電子元器件，特別是半導(dǎo)體材料器件對于生產(chǎn)、組裝和維修等過程環(huán)境的靜電控制要求越來越高。

　　

　　在昆山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)。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。這里將提供可以優(yōu)化ESD防護的PCB設(shè)計準則。

　　

　　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。

　　

　　常見的環(huán)路如圖1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。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到小，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，如圖3所示。

　　

　　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。

　　

　　考慮到ESD對地線層的直接放電可能損壞敏感電路，因此在使用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。

　　

　　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。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。

　　

　　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。

　　

　　此外，在PCB設(shè)計中還應(yīng)注意其它準則，如：應(yīng)避免在PCB邊緣安排重要的信號線，如時鐘和復(fù)位信號等；將PCB上未使用的部分設(shè)置為接地面；機殼地線與信號線間隔至少為4毫米；保持機殼地線的長寬比小于5:1，以減少電感效應(yīng)；用TVS二極管來保護所有的外部連接等。