PCB布線(xiàn)是ESD防護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵要素，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。在PCB 設(shè)計(jì)中，由於采用了瞬態(tài)電壓抑止器(TVS)二極體來(lái)抑止。
因ESD 放電產(chǎn)生的直接電荷注入，因此PCB 設(shè)計(jì)中更重要的是克服放電電流產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)電磁場(chǎng)效應(yīng)。本文將提供可以?xún)?yōu)化ESD 防護(hù)的PCB 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
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1 所示，由電源和地線(xiàn)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)。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(chǎn)生的高頻EMI 電磁場(chǎng)。
如果不能采用多層電路板，那麼用於電源線(xiàn)和接地的線(xiàn)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(guò)孔連接各層的印制線(xiàn)，在每個(gè)方向上過(guò)孔連接間隔應(yīng)該在6 厘米內(nèi)。另外，在布線(xiàn)時(shí)，將電源和接地印制線(xiàn)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(yīng)電流的另一個(gè)方法是減小互連器件間的平行通路，見(jiàn)圖4。當(dāng)必須采用長(zhǎng)於30 厘米的信號(hào)連接線(xiàn)時(shí)，可以采用保護(hù)線(xiàn)，如圖5 所示。一個(gè)更好的辦法是在信號(hào)線(xiàn)附近放置地層。信號(hào)線(xiàn)應(yīng)該距保護(hù)線(xiàn)或接地線(xiàn)層13 毫米以?xún)?nèi)。如圖6 所示，將每個(gè)敏感元件的長(zhǎng)信號(hào)線(xiàn)(>30 厘米)或電源線(xiàn)與其接地線(xiàn)進(jìn)行交叉布置。交叉的連線(xiàn)必須從上到下或從左到右的規(guī)則間隔布置。
電路連線(xiàn)長(zhǎng)度長(zhǎng)的信號(hào)線(xiàn)也可成為接收ESD 脈沖能量的天線(xiàn)，盡量使用較短信號(hào)線(xiàn)可以降低信號(hào)線(xiàn)作為接收ESD 電磁場(chǎng)天線(xiàn)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(xiàn)長(zhǎng)度。
地電荷注入ESD 對(duì)地線(xiàn)層的直接放電可能損壞敏感電路。在使用TVS 二極體的同時(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。旁路電容減少了電荷注入，保持了電源與接地埠的電壓差。TVS 使感應(yīng)電流分流，保持TVS 鉗位元電壓的電位差。TVS及電容器應(yīng)放在距被保護(hù)的IC 盡可能近的位置(見(jiàn)圖7)，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)。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(guò)短線(xiàn)與焊盤(pán)連接。
PCB 設(shè)計(jì)的其他準(zhǔn)則1. 避免在PCB 邊緣安排重要的信號(hào)線(xiàn)，如時(shí)鐘和重定信號(hào)等；2. 將PCB 上未使用的部分設(shè)置為接地面；3. 機(jī)殼地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)間隔至少為4 毫米；4. 保持機(jī)殼地線(xiàn)的長(zhǎng)寬比小於5:1，以減少電感效應(yīng)；5. 用TVS 二極體來(lái)保護(hù)所有的外部連接；
保護(hù)電路中的寄生電感TVS 二極體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 二極體，由於在電感負(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 二極體鉗位元電壓與寄生電感產(chǎn)生的電壓之和，VT=VC+VL。一個(gè)ESD 瞬態(tài)感應(yīng)電流在小於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(xiàn)電感為每英寸20nH，線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)應(yīng)盡可能短。TVS 二極體的接地和被保護(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。最後，TVS 器件應(yīng)該盡可能靠近連接器以減少進(jìn)入附近線(xiàn)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)致電路板其他部分的工作紊亂。
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