【導(dǎo)讀】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，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。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。
在PCB板的設(shè)計(jì)當(dāng)中,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)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)預(yù)測(cè)可以將絕大多數(shù)設(shè)計(jì)修改僅限于增減元器件。通過(guò)調(diào)整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見(jiàn)的防范措施。
幾種典型的通用ESD保護(hù)電路
CAN Bus保護(hù)
數(shù)據(jù)線及接口保護(hù)
分享個(gè)人的ESD保護(hù)9大措施
最近在做電子產(chǎn)品的ESD測(cè)試，從不同的產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個(gè)ESD是一項(xiàng)很重要的測(cè)試：如果電路板設(shè)計(jì)的不好，當(dāng)引入靜電后，會(huì)引起產(chǎn)品的死機(jī)甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會(huì)損壞元器件，沒(méi)有想到，對(duì)于電子產(chǎn)品也要引起足夠的重視。
ESD，也就是我們常說(shuō)的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過(guò)接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生，其特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間積聚、高電壓(可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬(wàn)伏的靜電)、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)。對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果ESD設(shè)計(jì)沒(méi)有設(shè)計(jì)好，常常造成電子電器產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至損壞。
在做ESD放電測(cè)試時(shí)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(duì)待測(cè)設(shè)備進(jìn)行放電;空氣放電也稱為間接放電，是強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)鄰近電流環(huán)路耦合產(chǎn)生。這兩種測(cè)試的測(cè)試電壓一般為2KV-8KV，同地區(qū)要求不一樣，因此在設(shè)計(jì)之前，先要弄清楚產(chǎn)品針對(duì)的市場(chǎng)。
以上兩種情況是針對(duì)人體在接觸到電子產(chǎn)品時(shí)，因人體帶電或其他原因引起電子產(chǎn)品不能工作而進(jìn)行的基本測(cè)試。下圖是一些地區(qū)在一年中不同月份的空氣濕度統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出Lasvegas全年的濕度最少，該地區(qū)的電子產(chǎn)品要特別注意ESD的保護(hù)。
全球各地的濕度情況不一樣，但是同時(shí)在一個(gè)地區(qū)，若空氣濕度不一樣，產(chǎn)生的靜電也不相同。下表是搜集到的數(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(shuō)明北方的冬天，脫毛衣時(shí)產(chǎn)生的靜電火花很大的原因。“既然靜電這么大的為危害，我們?nèi)绾芜M(jìn)行防護(hù)呢？我們?cè)谶M(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)對(duì)電路板產(chǎn)生損壞；防止靜電場(chǎng)產(chǎn)生的危害。
在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中我們會(huì)采用以下幾種方法的一種或幾種來(lái)進(jìn)行靜電保護(hù)：
1 雪崩二極管來(lái)進(jìn)行靜電保護(hù)
這也是設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的一種方法，典型做法就是在關(guān)鍵信號(hào)線并聯(lián)一雪崩二極管到地。該法是利用雪崩二極管快速響應(yīng)并且具有穩(wěn)定鉗位的能力，可以在較短的時(shí)間內(nèi)消耗聚集的高電壓進(jìn)而保護(hù)電路板。
2 使用高壓電容進(jìn)行電路保護(hù)
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(guān)鍵信號(hào)的位置，同時(shí)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(huì)引起電容的損壞而失去保護(hù)的作用。
3 采用鐵氧磁珠進(jìn)行電路保護(hù)
鐵氧磁珠可以很好的衰減ESD電流，并且還能抑制輻射。當(dāng)面臨著兩方面問(wèn)題時(shí)，一個(gè)鐵氧磁珠會(huì)時(shí)一個(gè)很不錯(cuò)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(gòu)成的微帶線層使用尖端相互對(duì)準(zhǔn)的三角銅皮構(gòu)成，三角銅皮一端連接在信號(hào)線，另一個(gè)三角銅皮連接地。當(dāng)有靜電時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖端放電進(jìn)而消耗電能。
5 采用LC濾波器的方法進(jìn)行保護(hù)電路
LC組成的濾波器可以有效的減小高頻靜電進(jìn)入電路。電感的感抗特性能很好的抑制高頻ESD進(jìn)入電路，而電容有分流了ESD的高頻能量到地。同時(shí)，該類型的濾波器還可以圓滑信號(hào)邊緣而較小RF效應(yīng)，性能方面在信號(hào)完整性方面又有了進(jìn)一步的提高。
6 多層板進(jìn)行ESD防護(hù)
當(dāng)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(gè)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(jìn)而保護(hù)關(guān)鍵信號(hào)的作用。
7 電路板外圍留保護(hù)帶的方法保護(hù)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(shí)要注意該走線不能構(gòu)成一個(gè)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(jìn)行電路的保護(hù)
這種方法是利用了隔離的原理進(jìn)行電路板的保護(hù)，由于這些器件有了鉗位二極管的保護(hù)，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中減小了設(shè)計(jì)的復(fù)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(duì)于低頻的ESD來(lái)說(shuō)，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?xí)?lái)嚴(yán)重后果，但是，只有保護(hù)好電路上電源和信號(hào)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(shuō)的一句“一個(gè)板子的良好接地才是王道”，希望這句話也能給大家?guī)?lái)打破天窗的效果。
下面將提到更多保護(hù)細(xì)節(jié)：
● 盡可能使用多層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和感性耦合,使之達(dá)到雙面PCB的 1/10到1/100。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。
● 對(duì)于雙面PCB來(lái)說(shuō),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(yīng)小于13mm。
● 確保每一個(gè)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(yuǎn)離容易直接遭受ESD影響的區(qū)域。
● 在引向機(jī)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(jī)箱地或者多邊形填充地,并每隔大約13mm的距離用過(guò)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(wú)阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機(jī)箱地上。
● PCB裝配時(shí),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(lái)實(shí)現(xiàn)PCB與金屬機(jī)箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。
● 在每一層的機(jī)箱地和電路地之間,要設(shè)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(jī)箱地線將機(jī)箱地和電路地用1.27mm寬的線連接在一起。與這些連接點(diǎn)的相鄰處,在機(jī)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(kāi),以保持開(kāi)路,或用磁珠/高頻電容的跳接。
● 如果電路板不會(huì)放入金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置中,在電路板的頂層和底層機(jī)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(shè)置一個(gè)環(huán)形地：
(1)除邊緣連接器以及機(jī)箱地以外,在整個(gè)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(guò)孔將環(huán)形地連接起來(lái)。
(4)將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起。
(5)對(duì)安裝在金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置里的雙面板來(lái)說(shuō),應(yīng)該將環(huán)形地與電路公共地連接起來(lái)。不屏蔽的雙面電路則應(yīng)該將環(huán)形地連接到機(jī)箱地,環(huán)形地上不能涂阻焊劑,以便該環(huán)形地可以充當(dāng)ESD的放電棒,在環(huán)形地(所有層)上的某個(gè)位置處至少放置一個(gè)0.5mm寬的間隙,這樣可以避免形成一個(gè)大的環(huán)路。信號(hào)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(gè)信號(hào)線附近都要布一條地線。
● I/O電路要盡可能靠近對(duì)應(yīng)的連接器。
● 對(duì)易受ESD影響的電路,應(yīng)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(duì)那些易被ESD擊中的電纜驅(qū)動(dòng)器,也可以考慮在驅(qū)動(dòng)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(hù)器。用短而粗的線(長(zhǎng)度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)連接到機(jī)箱地。從連接器出來(lái)的信號(hào)線和地線要直接接到瞬態(tài)保護(hù)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(jī)箱地或者接收電路地(長(zhǎng)度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)。
(2)信號(hào)線和地線先連接到電容再連接到接收電路。
● 要確保信號(hào)線盡可能短。
● 信號(hào)線的長(zhǎng)度大于300mm時(shí),一定要平行布一條地線。
● 確保信號(hào)線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對(duì)于長(zhǎng)信號(hào)線每隔幾厘米便要調(diào)換信號(hào)線和地線的位置來(lái)減小環(huán)路面積。
● 從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)入多個(gè)接收電路。
● 確保電源和地之間的環(huán)路面積盡可能小,在靠近集成電路芯片每一個(gè)電源管腳的地方放置一個(gè)高頻電容。
● 在距離每一個(gè)連接器80mm范圍以內(nèi)放置一個(gè)高頻旁路電容。
● 在可能的情況下,要用地填充未使用的區(qū)域,每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來(lái)。
● 確保在任意大的地填充區(qū)(大約大于25mm×6mm)的兩個(gè)相反端點(diǎn)位置處要與地連接。
● 電源或地平面上開(kāi)口長(zhǎng)度超過(guò)8mm時(shí),要用窄的線將開(kāi)口的兩側(cè)連接起來(lái)。
● 復(fù)位線、中斷信號(hào)線或者邊沿觸發(fā)信號(hào)線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。
● 將安裝孔同電路公地連接在一起,或者將它們隔離開(kāi)來(lái)。
(1)金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機(jī)箱一起使用時(shí),要采用一個(gè)零歐姆電阻實(shí)現(xiàn)連接。
(2)確定安裝孔大小來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬或者塑料支架的可靠安裝,在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤,底層焊盤上不能采用阻焊劑,并確保底層焊盤不采用波峰焊工藝進(jìn)行焊接。
● 不能將受保護(hù)的信號(hào)線和不受保護(hù)的信號(hào)線并行排列。
● 要特別注意復(fù)位、中斷和控制信號(hào)線的布線。
(1)要采用高頻濾波。
(2)遠(yuǎn)離輸入和輸出電路。
(3)遠(yuǎn)離電路板邊緣。
● PCB要插入機(jī)箱內(nèi),不要安裝在開(kāi)口位置或者內(nèi)部接縫處。
● 要注意磁珠下、焊盤之間和可能接觸到磁珠的信號(hào)線的布線。有些磁珠導(dǎo)電性能相當(dāng)好,可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的導(dǎo)電路徑。
● 如果一個(gè)機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個(gè)電路板,應(yīng)該將對(duì)靜電最敏感的電路板放在最中間。
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