ESD防護的PCB設計準則

ESD的意思是“靜電釋放”的意思，國際上習慣將用于靜電防護的器材統稱為“ESD”，中文名稱為靜電阻抗器。靜電會對敏感的電子元器件產生致命的影響。這是電子工業的一個不可回避的難題，每年花在這上面的費用有數十億美元之多。本文將從PCB設計方面提出可以優化ESD防護的設計原則。
　　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。在PCB設計中，由于采用了瞬態電壓抑止器(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。
　　一、電路環路
　　電流通過感應進入到電路環路，這些環路是封閉的，并具有變化的磁通量。電流的幅度與環的面積成正比。較大的環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，必須減少環路面積。
　　最常見的環路，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所示的網格狀。網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路面積。
　　減少環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。
　　當必須采用長于30厘米的信號連接線時，可以采用保護線。一個更好的辦法是在信號線附近放置地層。信號線應該距保護線或接地線層13毫米以內。
　　將每個敏感元件的長信號線(>30厘米)或電源線與其接地線進行交叉布置。交叉的連線必須從上到下或從左到右的規則間隔布置。
　　二、電路連線長度
　　長的信號線也可成為接收ESD脈沖能量的天線，盡量使用較短信號線可以降低信號線作為接收ESD電磁場天線的效率。
　　盡量將互連的器件放在相鄰位置，以減少互連的印制線長度。
　　三、地電荷注入
　　ESD對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。
　　四、保護電路中的寄生電感
　　TVS二極管通路中的寄生電感在發生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。
　　保護電路承受的總電壓是TVS二極管鉗位電壓與寄生電感產生的電壓之和，VT=VC+VL。一個ESD瞬態感應電流在小于1ns的時間內就能達到峰值(依據IEC 61000-4-2標準)，假定引線電感為每英寸20nH，線長為四分之一英寸，過沖電壓將是50V/10A的脈沖。經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。
　　五、PCB設計的一些其他原則：
　　1. 避免在PCB邊緣安排重要的信號線，如時鐘和復位信號等；
　　2. 將PCB上未使用的部分設置為接地面；
　　3. 機殼地線與信號線間隔至少為4毫米；
　　4. 保持機殼地線的長寬比小于5：1，以減少電感效應；
　　5. 用TVS二極管來保護所有的外部連接。