詳解PCB板的ESD
最近在做電子產(chǎn)品的ESD測(cè)試，從不同的產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個(gè)ESD是一項(xiàng)很重要的測(cè)試：如果電路板設(shè)計(jì)的不好，當(dāng)引入靜電后，會(huì)引起產(chǎn)品的死機(jī)甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會(huì)損壞元器件，沒(méi)有想到，對(duì)于電子產(chǎn)品也要引起足夠的重視。
ESD,也就是我們常說(shuō)的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過(guò)接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生，其特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間積聚、高電壓(可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬(wàn)伏的靜電)、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)。對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果ESD設(shè)計(jì)沒(méi)有設(shè)計(jì)好，常常造成電子電器產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至損壞。因此我們經(jīng)常在電路板上看到下面的圖片。
在做ESD放電測(cè)試時(shí)通常采用兩種方法：接觸放電和空氣放電。接觸放電就是直接對(duì)待測(cè)設(shè)備進(jìn)行放電;空氣放電也稱(chēng)為間接放電，是強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)鄰近電流環(huán)路耦合產(chǎn)生。這兩種測(cè)試的測(cè)試電壓一般為2KV-8KV，不同地區(qū)要求不一樣，因此在設(shè)計(jì)之前，先要弄清楚產(chǎn)品針對(duì)的市場(chǎng)。
以上兩種情況是針對(duì)人體在接觸到電子產(chǎn)品時(shí)，因人體帶電或其他原因引起電子產(chǎn)品不能工作而進(jìn)行的基本測(cè)試。下圖是一些地區(qū)在一年中不同月份的空氣濕度統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出Lasvegas全年的濕度最少，該地區(qū)的電子產(chǎn)品要特別注意ESD的保護(hù)。
全球各地的濕度情況不一樣，但是同時(shí)在一個(gè)地區(qū)，若空氣濕度不一樣，產(chǎn)生的靜電也不相同。下表是搜集到的數(shù)據(jù)，從中可以看出靜電隨著空氣濕度的減小而變大。這也間接的說(shuō)明北方的冬天，脫毛衣時(shí)產(chǎn)生的靜電火花很大的原因。
既然靜電這么大的為危害，我們?nèi)绾芜M(jìn)行防護(hù)呢?我們?cè)谶M(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)通常分三步走：防止外部電荷流入電路板而產(chǎn)生損壞;防止外部磁場(chǎng)對(duì)電路板產(chǎn)生損壞;防止靜電場(chǎng)產(chǎn)生的危害。
在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中我們會(huì)采用以下幾種方法的一種或幾種來(lái)進(jìn)行靜電保護(hù)：
1、 雪崩二極管來(lái)進(jìn)行靜電保護(hù)。這也是設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的一種方法，典型做法就是在關(guān)鍵信號(hào)線并聯(lián)一雪崩二極管到地。
該法是利用雪崩二極管快速響應(yīng)并且具有穩(wěn)定鉗位的能力，可以在較短的時(shí)間內(nèi)消耗聚集的高電壓進(jìn)而保護(hù)電路板。
2、 使用高壓電容進(jìn)行電路保護(hù)。
該做法通常將耐壓至少為1.5KV的陶瓷電容放置在I/O連接器或者關(guān)鍵信號(hào)的位置，同時(shí)連接線盡可能的短，以便減小連接線的感抗。若采用了耐壓低的電容，會(huì)引起電容的損壞而失去保護(hù)的作用。
3、 采用鐵氧磁珠進(jìn)行電路保護(hù)。
鐵氧磁珠可以很好的衰減ESD電流，并且還能抑制輻射。當(dāng)面臨著兩方面問(wèn)題時(shí)，一個(gè)鐵氧磁珠會(huì)時(shí)一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。
4、 火花間隙法。
這種方法是在一份材料中看到的，具體做法是在銅皮構(gòu)成的微帶線層使用尖端相互對(duì)準(zhǔn)的三角銅皮構(gòu)成，三角銅皮一端連接在信號(hào)線，另一個(gè)三角銅皮連接地。當(dāng)有靜電時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖端放電進(jìn)而消耗電能。
5、 采用LC濾波器的方法進(jìn)行保護(hù)電路。
LC組成的濾波器可以有效的減小高頻靜電進(jìn)入電路。電感的感抗特性能很好的抑制高頻ESD進(jìn)入電路，而電容有分流了ESD的高頻能量到地。同時(shí)，該類(lèi)型的濾波器還可以圓滑信號(hào)邊緣而較小RF效應(yīng)，性能方面在信號(hào)完整性方面又有了進(jìn)一步的提高。
6、 多層板進(jìn)行ESD防護(hù)。
當(dāng)資金允許的情況下，選擇多層板也是一種有效防止ESD的一種手段。在多層板中，由于有了一個(gè)完整的地平面靠近走線，這樣可以使ESD更加快捷的耦合到低阻抗平面上，進(jìn)而保護(hù)關(guān)鍵信號(hào)的作用。
7、 電路板外圍留保護(hù)帶的方法保護(hù)法。
這種方法通常是在電路板周?chē)?huà)出不加組焊層的走線。在條件允許的情況下將該走線連接至外殼，同時(shí)要注意該走線不能構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)，以免形成環(huán)形天線而引入更大的麻煩。
8、 采用有鉗位二極管的CMOS器件或者TTL器件進(jìn)行電路的保護(hù)。
這種方法是利用了隔離的原理進(jìn)行電路板的保護(hù)，由于這些器件有了鉗位二極管的保護(hù)，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中減小了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
9、 多采用去耦電容。
這些去耦電容要有低的ESL和ESR數(shù)值，對(duì)于低頻的ESD來(lái)說(shuō)，去耦電容減小了環(huán)路的面積，由于其ESL的作用使電解質(zhì)作用減弱，可以更好的濾除高頻能量。
總之，ESD雖然可怕，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重后果，但是，只有保護(hù)好電路上電源和信號(hào)線，那么就能有效的防止ESD的電流流入PCB中。其中，我老大經(jīng)常說(shuō)的一句“一個(gè)板子的良好接地才是王道”，希望這句話也能給大家?guī)?lái)打破天窗的效果。
