来自人体@@、环境甚至电子@@设备@@内部的@@静电对于精密的@@半导体芯片会造成各种损伤@@,例如穿透元器件内部薄的@@绝缘层@@;损毁@@MOSFET和@@CMOS元器件的@@栅极@@;CMOS器件中@@的@@触发器锁死@@;短路反偏的@@@@PN结@@;短路正向偏置的@@@@PN结@@;熔化有源器件内部的@@焊接线或@@铝线@@。为了消除静电释放@@(ESD)对电子@@设备@@的@@干扰和@@破坏@@,需要采取多种技术@@手段进行防范@@。
在@@PCB板的@@@@设计@@当中@@@@,可以通过分层@@、恰当的@@布局布线@@和@@安装实现@@PCB的@@抗@@ESD设计@@。在@@设计@@过程中@@@@,通过预测可以将绝大多数设计@@修改仅限于增减元器件@@。通过调整@@PCB布局布线@@,能够很好地防范@@ESD。以下是一些常见的@@防范措施@@。
几种典型的@@通用@@ESD保护@@电路@@
CAN Bus保护@@
数据线及接口保护@@@@
分享个人的@@@@ESD保护@@9大措施@@
最近在@@做@@电子@@产品的@@@@ESD测试@@，从不同的@@产品的@@测试@@结@@果发现@@，这个@@ESD是一项很重要的@@测试@@@@：如果@@电路板设计@@的@@不好@@，当引入静电后@@，会引起产品的@@死机甚至是元器件的@@损坏@@。以前只注意到@@@@ESD会损坏元器件@@，没有想到@@@@，对于电子@@产品也要引起足够的@@重视@@。
ESD，也就是我们常说的@@静电释放@@(Electro-Static discharge)。从学习过的@@知识中@@可以知道@@，静电是一种自然现象@@，通常通过接触@@、摩擦@@、电器间感应等方式产生@@，其特点是长时@@间积聚@@、高电压@@(可以产生几千伏甚至上万伏的@@静电@@)、低电量@@、小电流@@和@@作用时@@间短的@@特点@@。对于电子@@产品来说@@@@，如果@@ESD设计@@没有设计@@好@@，常常造成电子@@电器产品运行不稳定@@，甚至损坏@@。
在@@做@@ESD放电测试@@时@@通常采用@@两种方法@@：接触放电和@@空气放电@@。
接触放电就是直接对待测设备@@进行放电@@;空气放电也称为间接放电@@，是强磁场对邻近电流@@环路耦合产生@@。这两种测试@@的@@测试@@电压一般为@@2KV-8KV，同地区要求不一样@@，因此在@@设计@@之前@@，先要弄清楚产品针对的@@市场@@。
以上两种情况是针对人体在@@接触到@@电子@@产品时@@@@，因人体带电或@@其他原因引起电子@@产品不能工作而进行的@@基本测试@@@@。
全球各地的@@湿度情况不一样@@，但是@@同时@@@@在@@一个地区@@，若空气湿度不一样@@，产生的@@静电也不相同@@。通过搜集到@@数据从中@@可以看出静电随着空气湿度的@@减小而变大@@。这也间接的@@说明北方的@@冬天@@，脱毛衣时@@产生的@@静电火花很大的@@原因@@。“既然静电这么大的@@危害@@，我们如何进行防护@@呢@@？我们在@@进行静电防护@@设计@@时@@通常分三步走@@：防止外部电荷流入电路板而产生损坏@@；防止外部磁场对电路板产生损坏@@；防止静电场产生的@@危害@@。
在@@实际电路设计@@中@@我们会采用@@以下几种方法的@@一种或@@几种来进行静电保护@@@@：
1.雪崩二极管来进行静电保护@@@@
这也是设计@@中@@经常用到@@的@@一种方法@@，典型做法就是在@@关键信号线并联雪崩二极管到@@地@@。该法是利用雪崩二极管快速响应并且具有稳定钳位的@@能力@@，可以在@@较短的@@时@@间内消耗聚集的@@高电压@@进而保护@@电路@@板@@。
2.使用高压电容进行电路保护@@@@
该做法通常将耐压至少为@@1.5KV的@@陶瓷电容放置在@@@@I/O连接器或@@者关键信号的@@位置@@，同时@@@@连接线尽可能的@@短@@，以便减小连接线的@@感抗@@。若采用@@了耐压低的@@电容@@，会引起电容的@@损坏而失去保护@@的@@作用@@。
3.采用@@铁氧磁珠进行电路保护@@@@
铁氧磁珠可以很好的@@衰减@@ESD电流@@，并且还能抑制辐射@@。当面临着两方面问题时@@@@，一个铁氧磁珠会是一个很不错的@@选择@@。
4.火花间隙法@@
这种方法是在@@一份材料中@@看到@@的@@@@，具体做法是在@@铜皮构成的@@微带线层使用尖端相互对准的@@三角铜皮构成@@，三角铜皮一端连接在@@信号线@@，另一个三角铜皮连接地@@。当有静电时@@会产生尖端放电进而消耗电能@@。
5.采用@@LC滤波器的@@方法进行保护@@电路@@@@
LC组成的@@滤波器可以有效的@@减小高频静电进入电路@@@@。电感的@@感抗特性能很好的@@抑制高频@@ESD进入电路@@，而电容又分流了@@ESD的@@高频能量到@@地@@。同时@@@@，该类型的@@滤波器还可以圆滑信号边缘而较小@@RF效应@@，性能方面在@@信号完整性方面又有了进一步的@@提高@@@@。
6.多层板进行@@ESD防护@@
当资金允许的@@情况下@@，选择多层板也是一种有效防止@@ESD的@@一种手段@@。在@@多层板中@@@@，由于有了一个完整的@@地平面靠近走线@@，这样可以使@@ESD更加快捷的@@耦合到@@低阻抗平面上@@，进而保护@@关键信号的@@作用@@。
7.电路板外围留保护@@带的@@方法保护@@法@@
这种方法通常是在@@电路板周围画出不加组焊层的@@走线@@。在@@条件允许的@@情况下将该走线连接至外壳@@，同时@@@@要注意该走线不能构成一个封闭的@@环@@，以免形成环形天线而引入更大的@@麻烦@@。
8.采用@@有钳位二极管的@@@@CMOS器件或@@者@@TTL器件进行电路的@@保护@@@@
这种方法是利用了隔离的@@原理进行电路板的@@@@保护@@@@，由于这些器件有了钳位二极管的@@保护@@@@，在@@实际电路设计@@中@@减小了设计@@的@@复杂度@@。
9.多采用@@去耦电容@@
这些去耦电容要有低的@@@@ESL和@@ESR数值@@，对于低频的@@@@ESD来说@@，去耦电容减小了环路的@@面积@@，由于其@@ESL的@@作用使电解质作用减弱@@，可以更好的@@滤除高频能量@@。
总之@@，ESD虽然可怕@@，甚至会带来严重后果@@，但是@@，只有保护@@好电路上电源和@@信号线@@，那么就能有效的@@防止@@ESD的@@电流@@流入@@PCB中@@。其中@@@@，我老大经常说的@@一句@@“一个板子的@@良好接地才是王道@@”，希望这句话也能给大家带来打破天窗的@@效果@@。
下面将提到@@更多保护@@细节@@：
■尽可能使用多层@@PCB,相对于双面@@@@PCB而言@@,地平面和@@电源平面@@,以及排列紧密的@@信号线@@-地线间距能够减小共模阻抗和@@感性耦合@@,使之达到@@双面@@PCB的@@ 1/10到@@1/100。尽量地将每一个信号层都紧靠一个电源层或@@地线层@@。对于顶层和@@底层表面都有元器件@@、具有很短连接线以及许多填充地的@@高密度@@PCB,可以考虑使用内层线@@。
■对于双面@@PCB来说@@,要采用@@紧密交织的@@电源和@@地栅格@@。电源线紧靠地线@@,在@@垂直和@@水平线或@@填充区之间@@,要尽可能多地连接@@。一面的@@栅格尺寸小于等于@@60mm,如果@@可能@@,栅格尺寸应小于@@13mm。
■确保每一个电路尽可能紧凑@@。
■尽可能将所有连接器都放在@@一边@@。
■如果@@可能@@,将电源线从卡的@@中@@央引入@@,并远离容易直接遭受@@ESD影响的@@区域@@。
■在@@引向机箱外的@@连接器@@(容易直接被@@ESD击中@@@@)下方的@@所有@@PCB层上@@,要放置宽的@@机箱地或@@者多边形填充地@@,并每隔@@大约@@13mm的@@距离用过孔将它们连接在@@一起@@。
■在@@卡的@@边缘上放置安装孔@@,安装孔周围用无阻焊剂的@@顶层和@@底层焊盘连接到@@机箱地@@上@@。
■PCB装配时@@@@,不要在@@顶层或@@者底层的@@焊盘上涂覆任何焊料@@。使用具有内嵌垫圈的@@螺钉来实现@@PCB与金属机箱@@/屏蔽层或@@接地面上支架的@@紧密接触@@。
■在@@每一层的@@机箱地和@@电路地之间@@,要设置相同的@@@@“隔离区@@”;如果@@可能@@,保持间隔距离为@@0.64mm。
■在@@卡的@@顶层和@@底层靠近安装孔的@@位置@@,每隔@@100mm沿机箱地线将机箱地和@@电路地用@@1.27mm宽的@@线连接在@@一起@@。与这些连接点的@@相邻处@@,在@@机箱地和@@电路地之间放置用于安装的@@焊盘或@@安装孔@@。这些地线连接可以用刀片划开@@,以保持开路@@,或@@用磁珠@@/高频电容的@@跳接@@。
■如果@@电路板不会放入金属机箱或@@者屏蔽装置中@@@@,在@@电路板的@@@@顶层和@@底层机箱地线上不能涂阻焊剂@@,这样它们可以作为@@ESD电弧的@@放电极@@。
■要以下列方式在@@电路周围设置一个环形地@@：
(1)除边缘连接器以及机箱地以外@@,在@@整个外围四周放上环形地通路@@。
(2)确保所有层@@的@@环形地宽度大于@@2.5mm。
(3)每隔@@13mm用过孔将环形地连接起来@@。
(4)将环形地与多层电路的@@公共地连接到@@一起@@。
(5)对安装在@@金属机箱或@@者屏蔽装置里的@@双面板来说@@@@,应该将环形地与电路公共地连接起来@@。不屏蔽的@@双面电路则应该将环形地连接到@@机箱地@@@@,环形地上不能涂阻焊剂@@,以便该环形地可以充当@@ESD的@@放电棒@@,在@@环形地@@(所有层@@)上的@@某个位置处至少放置一个@@0.5mm宽的@@间隙@@,这样可以避免形成一个大的@@环路@@。信号布线离环形地的@@距离不能小于@@0.5mm。
■在@@能被@@ESD直接击中@@@@的@@区域@@,每一个信号线附近都要布一条地线@@。
■I/O电路要尽可能靠近对应的@@连接器@@。
■对易受@@ESD影响的@@电路@@,应该放在@@靠近电路中@@心的@@区域@@,这样其他电路可以为它们提供一定的@@屏蔽作用@@。
■通常在@@接收端放置串联的@@电阻和@@磁珠@@,而对那些易被@@ESD击中@@@@的@@电缆驱动器@@,也可以考虑在@@驱动端放置串联的@@电阻或@@磁珠@@。
■通常在@@接收端放置瞬态保护@@器@@。用短而粗的@@线@@(长度小于@@5倍宽度@@,最好小于@@3倍宽度@@)连接到@@机箱地@@。从连接器出来的@@信号线和@@地线要直接接到@@瞬态保护@@器@@,然后才能接电路的@@其他部分@@。
■在@@连接器处或@@者离接收电路@@25mm的@@范围内@@,要放置滤波电容@@。
(1)用短而粗的@@线@@连接到@@机箱地@@或@@者接收电路地@@(长度小于@@5倍宽度@@,最好小于@@3倍宽度@@)。
(2)信号线和@@地线先连接到@@电容再连接到@@接收电路@@。
■要确保信号线尽可能短@@。
■信号线的@@长度大于@@300mm时@@,一定要平行布一条地线@@。
■确保信号线和@@相应回路之间的@@环路面积尽可能小@@。对于长信号线每隔@@几厘米便要调换信号线和@@地线的@@位置来减小环路面积@@。
■从网@@络的@@中@@心位置驱动信号进入多个接收电路@@。
■确保电源和@@地之间的@@环路面积尽可能小@@,在@@靠近集成电路芯片每一个电源管脚的@@地方放置一个高频电容@@。
■在@@距离每一个连接器@@80mm范围以内放置一个高频旁路电容@@。
■在@@可能的@@情况下@@,要用地填充未使用的@@区域@@,每隔@@60mm距离将所有层@@的@@填充地连接起来@@。
■确保在@@任意大的@@地填充区@@(大约大于@@25mm×6mm)的@@两个相反端点位置处要与地连接@@。
■电源或@@地平面上开口长度超过@@8mm时@@,要用窄的@@线将开口的@@两侧连接起来@@。
■复位线@@、中@@断信号线或@@者边沿触发信号线不能布置在@@靠近@@PCB边沿的@@地方@@。
■将安装孔同电路公地连接在@@一起@@,或@@者将它们隔离开来@@。
(1)金属支架必须和@@金属屏蔽装置或@@者机箱一起使用时@@@@,要采用@@一个零欧姆电阻实现连接@@。
(2)确定安装孔大小来实现金属或@@者塑料支架的@@可靠安装@@,在@@安装孔顶层和@@底层上@@要采用@@大焊盘@@,底层焊盘上不能采用@@阻焊剂@@,并确保底层焊盘不采用@@波峰焊工艺进行焊接@@。
■不能将受保护@@的@@信号线和@@不受保护@@的@@信号线并行排列@@。
■要特别注意复位@@、中@@断和@@控制信号线的@@布线@@。
(1)要采用@@高频滤波@@。
(2)远离输入和@@输出电路@@。
(3)远离电路板边缘@@。
■PCB要插入机箱内@@,不要安装在@@开口位置或@@者内部接缝处@@。
■要注意磁珠下@@、焊盘之间和@@可能接触到@@磁珠的@@信号线的@@布线@@。有些磁珠导电性能相当好@@,可能会产生意想不到@@的@@导电路径@@。
■如果@@一个机箱或@@者主板要内装几个电路板@@,应该将对静电最敏感的@@电路板放在@@最中@@间@@。
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