ay: block;">PCB布線是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,由于采用了瞬態(tài)電壓抑止器(
TVS)二極管來(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)。本文將提供可以優(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(guò)孔連接各層的印制線,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,在布線時(shí),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(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)于30厘米的信號(hào)連接線時(shí),可以采用保護(hù)線,如圖5所示。一個(gè)更好的辦法是在信號(hào)線附近放置地層。信號(hào)線應(yīng)該距保護(hù)線或接地線層13毫米以內(nèi)。
如圖6所示,將每個(gè)敏感元件的長(zhǎng)信號(hào)線(>30厘米)或電源線與其接地線進(jìn)行交叉布置。交叉的連線必須從上到下或從左到右的規(guī)則間隔布置。
電路連線長(zhǎng)度
長(zhǎng)的信號(hào)線也可成為接收ESD脈沖能量的天線,盡量使用較短信號(hào)線可以降低信號(hào)線作為接收ESD電磁場(chǎng)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(zhǎng)度。
地電荷注入
ESD對(duì)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(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,保持了電源與接地端口的電壓差。
TVS使感應(yīng)電流分流,保持TVS鉗位電壓的電位差。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)短線與焊盤連接。
PCB設(shè)計(jì)的其它準(zhǔn)則
- 避免在PCB邊緣安排重要的信號(hào)線,如時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)等；
- 將PCB上未使用的部分設(shè)置為接地面；
- 機(jī)殼地線與信號(hào)線間隔至少為4毫米；
- 保持機(jī)殼地線的長(zhǎng)寬比小于5:1,以減少電感效應(yīng)；
- 用TVS二極管來(lái)保護(hù)所有的外部連接；
保護(hù)電路中的寄生電感
TVS二極管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二極管,由于在電感負(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二極管鉗位電壓與寄生電感產(chǎn)生的電壓之和,VT=VC+VL。一個(gè)ESD瞬態(tài)感應(yīng)電流在小于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)),假定引線電感為每英寸20nH,線長(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,則接地回路的連線應(yīng)盡可能短。TVS二極管的接地和被保護(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。
最后,TVS器件應(yīng)該盡可能靠近連接器以減少進(jìn)入附近線路的瞬態(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)致電路板其它部分的工作紊亂。
參考文獻(xiàn):
1. Boxleitner, Warren, "Electrostatic Discharge and Electronic Equipment," IEEE Press, 1989.
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4. Russell, Bill, "Power Protection is Critical For Today's Shrinking System Designs," Wireless Systems Design, February 1999.
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