防止静电放电危害的PCB设计技术

本章将讨论静电放电引起的系统问题的硬件解决措施。为了便于对系统硬件解决进行讨论将系统上的静电放电效应划分成以下三个部分1. 静电放电之前静电场的效应2. 放电产生的电荷注入效应3. 静电放电电流产生的场效应尽管印刷线路板PWB通常也称之为PCB的设计会对上述三种效应都产生影响但是主要是对第三种效应产生影响。下面的讨论将针对第三条所述的问题给出设计指南。 通常源与接收电路之间的场耦合可以通过下列方式之一减小这些通用方法也会在其它讨论场的章节中提到1. 在源端使用滤波器以衰减信号2. 在接收端使用滤波器以衰减信号3. 增加距离以减小耦合4. 降低源和/或接收电路的天线效果以减小耦合5. 将接收天线与发射天线垂直放置以减小耦合6. 在接收天线与发射天线之间加屏蔽7. 减小发射及接收天线的阻抗来减小电场耦合8. 增加发射或接收天线之一的阻抗来减小磁场耦合9. 采用一致的、低阻抗参考平面如同多层PCB板所提供的耦合信号使它们保持共模方式在具体设计中如电场或磁场占主导地位应用方法7和8就可以解决。然而静电放电一般同时产生电场和磁场这说明方法7将改善电场的抗扰度但同时会使磁场的抗扰度降低。方法8则与方法7带来的效果相反。所以方法7和8并不是完善的解决方案。不管是电场还是磁场使用方法1 6与9都会取得一定的效果但PCB设计的解决方法主要取决于方法3 6和9的综合使用。下面详细阐述通过方法3 6和9解决问题的六条实践法则及其原因所在。一、保持环路面积最小任意一个电路回路中有变化的磁通量穿过时将会在环路内感应出电流。电流的大小与磁通量成正比。较小的环路中通过的磁通量也较少因此感应出的电流也较小这就说明环路面积必须最小。应用这一经验的困难之处是如何找到环路。每个人都知道图16中所示的环路但要正确识别图17中所示的环路则比较困难。与其试着去找出所有可能的环路还不如采取下列步骤来减小环路面积 A、 电源线与地线应紧靠在一起以减小电源和地间的环路面积。图18示例说明了电源线与地线同集成电路连接的几种不同方法。B、多条电源及地线应连接成网格状。图19和图20说明了这一点在这个典型的PCB设计中PCB的一面布垂直线而另一面则布水平线此图中仅画出地线。如图19所示这个典型的地线结构会使环路面积很大可以在双面板上添加一些连接线以减小环路面积如图20所示。网格构成的环路面积小得多这将使感应电流很低出现问题的可能性也较小。插在底板或母板PCB上的PCB板应该有多个地线和电源线节点且在连接器长度方向上均匀布置。这将有利于减小整个系统的环路面积。上述步骤A和B既可减小电源与地之间的环路面积同时也可减小环路天线的效能下面讲的步骤C和D将降低天线及信号线的效率。C、 并联的导线必须紧紧地放在一起最好仅使用一条粗导线。图21表明了这一原则。这就是说地平面不应有大的开口因为这些开口如同平行导线一般其作用等同于环路天线。D、 信号线应与地线应紧挨着放在一起。在每根信号线的旁边安排一条地线。不过这也许会产生很多平行地线。为了避免这个问题如前所述可采用地平面或地线网格而不采用单条地线。一个例子如图22所示。在这里假设由于某种原因信号线不能移动。可在与信号线相对的一面上布置地线面如图23所示。实际上将空余PCB部分填以地线面是个好办法 。E、 特别敏感的器件之间的较长的电源线或信号线应每隔一定间隔与地线的位置对调一下。对调的含义是将一根导线从上移到下面或从左边移到右边另一根导线则做相反的调整。图24表明了这种方法与减小环路面积 的等同效果对调有关导线后只有较小的环路存在。F、 在电源线与地线间安装高频旁路电容。因为在静电放电较低的频率段旁路电容的阻抗较低在这些频率处旁路电容能有效减小电源与地间的环路面积。然而在静电放电较高的频率段由于寄生电感的影响即使 是高频电容其作用也很有限。当然电源线与地线彼此靠得越近滤波电容的效果就越不明显。因为环路面积已经足够小了。图25和26说明了这种效果。即使在每个元件旁边都安装旁路电容布置使得环路面积大大减小。然而即使将电源线与地线并列分布较长的导线仍会导致较大的环路面积。二、使导线长度尽量短天线要具有较高的效率其长度必须是波长很大的一部分。这就是说较长的导线将有利于接收静电放电脉冲产生的更多的频率成份而较短的导线只能接收较少的频率成分。因此短导线从静电放电产生的电磁场中接收并馈入电路的能量较少。使导线尽可能短是一个比是环路面积尽量小更容易实现的措施。因为它不象信号环路那样不容易识别环路面积的尽可能小不可能立即看到而导线的长短则是很显然的。有关设计步骤如下a) 使所有元件紧靠在一起PCB设计人员不应将元件过于分散而占用更多的面积b) 在相关的元件组相互之间具有很多互连线的元件应彼此靠得很近。例如I/O器件是与I/O连接器尽量靠得近些c) 如有可能的话从线路板的中心馈送电源或信号而不要从线路板边缘馈送中间的馈送信号使大多数元件的连线最短。当线路板为正方形时这样做的效果最明显当线路板狭长时效果则不很明显。但只要可能还是应该尽量这样做。前面提出的PCB设计规则主要针对静电放电电流产生的场效应。但值得注意的是前面介绍的降低天线效率的方法这也有助于防止共模噪声转化成会带来更大麻烦的差模噪声这在本章开始列出的一般性方法的第9条中已提及过。之所以有这样的效果是因为前述的各种步骤都有助于减小各种PCB回路的阻抗差异。例如规则一中的步骤D特别有用因为这样处理会使信号线与相关地线的回路阻抗几乎相等。因此串入到这两条路径中的共模噪声在幅度上也很接近产生的差模噪声极小。另外PCB设计也能采取措施减小由于静电场和电荷注入所带来的问题。下面讲述的规则就与这个问题有关你会发现有几个规则与前述规则相同。三、尽可能在PCB上使用完整的地线面建议采用多层板前面已提到过地线面有助于减小环路面积同时也降低了接收天线的效率。地线面作为一个重要的电荷源可抵消静电放电源上的电荷这有利于减小静电场带来的问题。PCB地线面也可作为其对面信号线的屏蔽体当然地线面的开口越大其屏蔽效能就越低。另外如果发生放电由于PCB板的地平面很大电荷很容易注入到地线面中而不是进入到信号线中。这样将有利于对元件进行保护因为在引起元件损坏前电荷可以泄放掉。然而即使泄放到地的电荷也可能损坏器件应采取措施加以避免四、加强电源线和地线之间的电容耦合电源线与地线间的耦合通过两种方式来实现这在前面已经提到过。A、 使电源线与地线靠得很近或采用多层PCB板。这将在电源线和地线间产生更多的寄生电容。B、 在电源线与地线之间接入高频旁路电容电容组合方式可适用于静电放电频率较低和较高的场合。电源线与地线间的耦合将有助于减小电荷注入问题。两个物体之间由各个物体上电荷量的差异造成的电压取决于两者VQ/C间的电容。如果X库仑的电荷注入到电源线中就会在电源线和地线间产生Y伏的电压。如果电源线与地线间的电容增加一倍X库仑的电荷将仅仅产生Y/2伏的电压。当然这个较小的电压造成损坏的可能性也相应减小。五、隔离电子元件与静电放电电荷源在静电放电效应的讨论中曾指出注入到电子仪器中的电荷可通过隔离来解决。对于PCB设计这主要指将电子仪器与可能的电荷源隔离开也与连接器端口或感应电流趋于集中的信号线相隔离。可采取以下两个步骤来进行隔离A、 使电子元件与PCB走线远离会暴露在静电放电中的PCB部分例如操作人员可直接触摸到的地方。B、 使电子元件和PCB走线远离会暴露在静电放电中的任意一个金属物体包括螺钉、机架、连接器外壳等。后一个要求小于下面的设计规则相关联。六、PCB上的机壳地线的阻抗要低隔离要好尽管PCB轨线上的阻焊层有利于隔离PCB走线但阻焊层可能会导致插针孔发生电弧。A、 隔离机壳地线的最好方法是使之远离电子仪器。另外如果机壳地线的阻抗很低静电放电电流易于通过就不会发生电弧。当然如此迅速的电荷泄放会产生更强的场但这比电荷通过电弧直接注入到电路中好得多。B、 机壳地线的长度不能超过其宽度的四或五倍。比这个比例更宽的地线仅能使其阻抗电感稍微减小但是更窄的地线却会使其阻抗大幅度增加。这个长宽比例意味着机壳地线必须很短才行否则当地线增长时其宽度要很宽。