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。

（一）分層

  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）。

（二）電路環(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。

  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 毫米以內(nèi)。如圖4 所示。

  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。

（三）電路連線長(zhǎng)度

  要確保信號(hào)線盡可能短。因?yàn)樘炀€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。

（四）地電荷注入

  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)。

（五）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。

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