PCB設計(jì)的ESD抑止準則

      PCB布線是ESD防護的一個(gè)關鍵要素，合理(lǐ)的PCB設計(jì)可(kě)以減少(shǎo)故障檢查及返工所帶來(lái)的不必要成本。在PCB設計(jì)中，由于采用了瞬态電(diàn)壓抑止器(qì)(TVS)二極管來(lái)抑止因ESD放電(diàn)産生(shēng)的直接電(diàn)荷注入，因此PCB設計(jì)中更重要的是克服放電(diàn)電(diàn)流産生(shēng)的電(diàn)磁幹擾(EMI)電(diàn)磁場(chǎng)效應。本文将提供可(kě)以優化ESD防護的PCB設計(jì)準則。 

電(diàn)路環路 
   電(diàn)流通(tōng)過感應進入到電(diàn)路環路，這些(xiē)環路是封閉的，并具有(yǒu)變化的磁通(tōng)量。電(diàn)流的幅度與環的面積成正比。較大(dà)的環路包含有(yǒu)較多(duō)的磁通(tōng)量，因而在電(diàn)路中感應出較強的電(diàn)流。因此，必須減少(shǎo)環路面積。 
   最常見的環路如圖1所示，由電(diàn)源和(hé)地線所形成。在可(kě)能的條件下，可(kě)以采用具有(yǒu)電(diàn)源及接地層的多(duō)層PCB設計(jì)。多(duō)層電(diàn)路闆不僅将電(diàn)源和(hé)接地間(jiān)的回路面積減到最小(xiǎo)，而且也減小(xiǎo)了ESD脈沖産生(shēng)的高(gāo)頻EMI電(diàn)磁場(chǎng)。 

如果不能采用多(duō)層電(diàn)路闆，那(nà)麽用于電(diàn)源線和(hé)接地的線必須連接成如圖2所示的網格狀。網格連接可(kě)以起到電(diàn)源和(hé)接地層的作(zuò)用，用過孔連接各層的印制(zhì)線，在每個(gè)方向上(shàng)過孔連接間(jiān)隔應該在6厘米內(nèi)。另外，在布線時(shí)，将電(diàn)源和(hé)接地印制(zhì)線盡可(kě)能靠近也可(kě)以降低(dī)環路面積，如圖3所示。 
   減少(shǎo)環路面積及感應電(diàn)流的另一個(gè)方法是減小(xiǎo)互連器(qì)件間(jiān)的平行(xíng)通(tōng)路，見圖4。 

當必須采用長于30厘米的信号連接線時(shí)，可(kě)以采用保護線，如圖5所示。一個(gè)更好的辦法是在信号線附近放置地層。信号線應該距保護線或接地線層13毫米以內(nèi)。 
   如圖6所示，将每個(gè)敏感元件的長信号線(>30厘米)或電(diàn)源線與其接地線進行(xíng)交叉布置。交叉的連線必須從上(shàng)到下或從左到右的規則間(jiān)隔布置。 

 電(diàn)路連線長度 
    長的信号線也可(kě)成為(wèi)接收ESD脈沖能量的天線，盡量使用較短(duǎn)信号線可(kě)以降低(dī)信号線作(zuò)為(wèi)接收ESD電(diàn)磁場(chǎng)天線的效率。 
    盡量将互連的器(qì)件放在相鄰位置，以減少(shǎo)互連的印制(zhì)線長度。 

 地電(diàn)荷注入 

ESD對地線層的直接放電(diàn)可(kě)能損壞敏感電(diàn)路。在使用TVS二極管的同時(shí)還(hái)要使用一個(gè)或多(duō)個(gè)高(gāo)頻旁路電(diàn)容器(qì)，這些(xiē)電(diàn)容器(qì)放置在易損元件的電(diàn)源和(hé)地之間(jiān)。旁路電(diàn)容減少(shǎo)了電(diàn)荷注入，保持了電(diàn)源與接地端口的電(diàn)壓差。 
   TVS使感應電(diàn)流分流，保持TVS鉗位電(diàn)壓的電(diàn)位差。TVS及電(diàn)容器(qì)應放在距被保護的IC盡可(kě)能近的位置(見圖7)，要确保TVS到地通(tōng)路以及電(diàn)容器(qì)管腳長度為(wèi)最短(duǎn)，以減少(shǎo)寄生(shēng)電(diàn)感效應。 

連接器(qì)必須安裝到PCB上(shàng)的銅鉑層。理(lǐ)想情況下，銅鉑層必須與PCB的接地層隔離，通(tōng)過短(duǎn)線與焊盤連接。 
   PCB設計(jì)的其它準則 
   避免在PCB邊緣安排重要的信号線，如時(shí)鍾和(hé)複位信号等; 
   将PCB上(shàng)未使用的部分設置為(wèi)接地面; 
   機殼地線與信号線間(jiān)隔至少(shǎo)為(wèi)4毫米; 

保持機殼地線的長寬比小(xiǎo)于5:1，以減少(shǎo)電(diàn)感效應; 
   用TVS二極管來(lái)保護所有(yǒu)的外部連接; 
   保護電(diàn)路中的寄生(shēng)電(diàn)感 
   TVS二極管通(tōng)路中的寄生(shēng)電(diàn)感在發生(shēng)ESD事件時(shí)會(huì)産生(shēng)嚴重的電(diàn)壓過沖。盡管使用了TVS二極管，由于在電(diàn)感負載兩端的感應電(diàn)壓VL=L×di/dt，過高(gāo)的過沖電(diàn)壓仍然可(kě)能超過被保護IC的損壞電(diàn)壓阈值。 
   保護電(diàn)路承受的總電(diàn)壓是TVS二極管鉗位電(diàn)壓與寄生(shēng)電(diàn)感産生(shēng)的電(diàn)壓之和(hé)，VT=VC+VL。一個(gè)ESD瞬态感應電(diàn)流在小(xiǎo)于1ns的時(shí)間(jiān)內(nèi)就能達到峰值(依據IEC 61000-4-2标準)，假定引線電(diàn)感為(wèi)每英寸20nH，線長為(wèi)四分之一英寸，過沖電(diàn)壓将是50V/10A的脈沖。經驗設計(jì)準則是将分流通(tōng)路設計(jì)得(de)盡可(kě)能短(duǎn)，以此減少(shǎo)寄生(shēng)電(diàn)感效應。 

所有(yǒu)的電(diàn)感性通(tōng)路必須考慮采用接地回路，TVS與被保護信号線之間(jiān)的通(tōng)路，以及連接器(qì)到TVS器(qì)件的通(tōng)路。被保護的信号線應該直接連接到接地面，若無接地面，則接地回路的連線應盡可(kě)能短(duǎn)。TVS二極管的接地和(hé)被保護電(diàn)路的接地點之間(jiān)的距離應盡可(kě)能短(duǎn)，以減少(shǎo)接地平面的寄生(shēng)電(diàn)感。 
   最後，TVS器(qì)件應該盡可(kě)能靠近連接器(qì)以減少(shǎo)進入附近線路的瞬态耦合。雖然沒有(yǒu)到達連接器(qì)的直接通(tōng)路，但(dàn)這種二次輻射效應也會(huì)導緻電(diàn)路闆其它部分的工作(zuò)紊亂。