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?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?xún)?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(pán)連接。
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?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?xún)?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(pán)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.
2. Mardiguian， Michel， “Electrostatic Discharge，Understand， Simulate and Fix ESD problems，”
3. Interference Control technologies， 1992.
4. Russell， Bill， “Power Protection is Critical For Today‘s Shrinking System Designs，” Wireless Systems Design， February 1999.
5. Standler， Ronald B.， “Protection of Electronic Circuits from Overvoltages，” John Wiley & Sons， 1989.
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