ESD是英文electronstatic discharge的縮寫,原意是靜電放電,通常也指對靜電放電的防護(也就是我們平時所說的靜電防護或防靜電)。
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。電子技術的迅猛發(fā)展,已經(jīng)讓電子產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,特別是半導體材料器件對于生產、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放電產生的直接電荷注入,因此pcb設計中更重要的是克服放電電流產生的電磁干擾(EMI)電磁場效應。pcb布線是ESD防護的一個關鍵要素,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。這里將提供可以優(yōu)化ESD防護的pcb設計準則。
電流通過感應進入到電路環(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,因而在電路中感應出較強的電流。因此,必須減少環(huán)路面積。
最常見的環(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,而且也減小了ESD脈沖產生的高頻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該在6厘米內。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使感應電流分流,保持TVS鉗位電壓的電位差。TVS及電容器應放在距被保護的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最短,以減少寄生電感效應。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)驗設計準則是將分流通路設計得盡可能短,以此減少寄生電感效應。
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盡可能短,以減少接地平面的寄生電感。
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(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也會導致電路板其它部分的工作紊亂。
此外,在pcb設計中還應注意其它準則,如:應避免在pcb邊緣安排重要的信號線,如時鐘和復位信號等;將pcb上未使用的部分設置為接地面;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;用TVS二極管來保護所有的外部連接等。