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      PCB設計如何考慮減小靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應?
      發(fā)布者:深圳市踏歌科技有限公司  發(fā)布時(shí)間:2017-10-30
        盡管印刷線(xiàn)路板(PWB,通常也稱(chēng)之為PCB)的設計會(huì )對下述三種效應都產(chǎn)生影響,但是主要是對第三 種效應產(chǎn)生影響。
        1.靜電放電之前靜電場(chǎng)的效應
        2.放電產(chǎn)生的電荷注入效應
        3.靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應 下面的討論將針對第三條所述的問(wèn)題給出設計指南。 通常, 源與接收電路之間的場(chǎng)耦合可以通過(guò)下列方式 之一減?。?br />   1.在源端使用濾波器以衰減信號
        2.在接收端使用濾波器以衰減信號
        3.增加距離以減小耦合
        4.降低源和/或接收電路的天線(xiàn)效果以減小耦合
        5.將接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)垂直放置以減小耦合
        6.在接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)之間加屏蔽
        7.減小發(fā)射及接收天線(xiàn)的阻抗來(lái)減小電場(chǎng)耦合
        8.增加發(fā)射或接收天線(xiàn)之一的阻抗來(lái)減小磁場(chǎng)耦合
        9.采用一致的、低阻抗參考平面(如同多層PCB板所提供的)耦合信號,使它們保持共模方式 在具體設計中,如電場(chǎng)或磁場(chǎng)占主導地位,應用方法7和8就可以解決。然而,靜電放電一般同時(shí)產(chǎn)生 電場(chǎng)和磁場(chǎng),這說(shuō)明方法7將改善電場(chǎng)的抗擾度,但同時(shí)會(huì )使磁場(chǎng)的抗擾度降低。方法8則與方法7帶來(lái)的 效果相反。所以,方法7和8并不是完善的解決方案。不管是電場(chǎng)還是磁場(chǎng),使用方法1~6與9都會(huì )取得 一定的效果,但PCB設計的解決方法主要取決于方法3~6和9的綜合使用。 下面詳細闡述通過(guò)方法3~6和9解決問(wèn)題的六條實(shí)踐法則及其原因所在。
        一、保持環(huán)路面積最小
        任意一個(gè)電路回路中有變化的磁通量穿過(guò)時(shí),將會(huì )在環(huán)路內感應出電流。電流的大小與磁通量成正比。較 小的環(huán)路中通過(guò)的磁通量也較少,因此感應出的電流也較小,這就說(shuō)明環(huán)路面積必須最小。應用這一經(jīng)驗的困 難之處是如何找到環(huán)路。每個(gè)人都知道圖1中所示的環(huán)路,但要正確識別圖1中所示的環(huán)路則比較困難。
      圖1簡(jiǎn)單的PCB回路
      (圖1簡(jiǎn)單的PCB回路)
      圖2電源線(xiàn)與地線(xiàn)構成的PCB回路
      (圖2電源線(xiàn)與地線(xiàn)構成的PCB回路 )
        與其試著(zhù)去找出所有可能的環(huán)路,還不如采取下列步驟來(lái)減小環(huán)路面積:A、電源線(xiàn)與地線(xiàn)應緊靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。圖3示例說(shuō)明了電源線(xiàn)與地線(xiàn)同集成電 路連接的幾種不同方法。
      圖3電源與地形成的環(huán)路面積的減小
      (圖3電源與地形成的環(huán)路面積的減?。?/div>
        B、多條電源及地線(xiàn)應連接成網(wǎng)格狀。圖4和圖5說(shuō)明了這一點(diǎn):在這個(gè)典型的PCB設計中,PCB的一 面布垂直線(xiàn),而另一面則布水平線(xiàn)(此圖中僅畫(huà)出地線(xiàn))。
        如圖4所示,這個(gè)典型的地線(xiàn)結構會(huì )使環(huán)路面積很大,可以在雙面板上添加一些連接線(xiàn)以減小環(huán)路面積, 如圖5所示。網(wǎng)格構成的環(huán)路面積小得多,這將使感應電流很低,出現問(wèn)題的可能性也較小。插在底板(或 母板)PCB上的PCB板,應該有多個(gè)地線(xiàn)和電源線(xiàn)節點(diǎn),且在連接器長(cháng)度方向上均勻布置。這將有利于減小 整個(gè)系統的環(huán)路面積。
      圖4典型的PCB地線(xiàn)結構
      (圖4典型的PCB地線(xiàn)結構)
      圖5地線(xiàn)網(wǎng)格
      (圖5地線(xiàn)網(wǎng)格)
        上述步驟A和B既可減小電源與地之間的環(huán)路面積,同時(shí)也可減小環(huán)路天線(xiàn)的效能,下面講的步驟C和D將降低天線(xiàn)及信號線(xiàn)的效率。
        C、 并聯(lián)的導線(xiàn)必須緊緊地放在一起,最好僅使用一條粗導線(xiàn)。圖6表明了這一原則。這就是說(shuō),地平 面不應有大的開(kāi)口,因為這些開(kāi)口如同平行導線(xiàn)一般,其作用等同于環(huán)路天線(xiàn)。
      圖6縮短平行路徑
      (圖6縮短平行路徑)
        D、 信號線(xiàn)應與地線(xiàn)應緊挨著(zhù)放在一起。在每根信號線(xiàn)的旁邊安排一條地線(xiàn)。不過(guò),這也許會(huì )產(chǎn)生很多 平行地線(xiàn)。為了避免這個(gè)問(wèn)題,如前所述,可采用地平面或地線(xiàn)網(wǎng)格,而不采用單條地線(xiàn)。一個(gè)例子如圖7所示。在這里,假設由于某種原因信號線(xiàn)不能移動(dòng)。
      圖7信號線(xiàn)與地線(xiàn)緊挨著(zhù)布線(xiàn)
      (圖7信號線(xiàn)與地線(xiàn)緊挨著(zhù)布線(xiàn))
        可在與信號線(xiàn)相對的一面上布置地線(xiàn)面, 如圖8所示。 實(shí)際上, 將空余PCB部分填以地線(xiàn)面是個(gè)好辦法 。
      圖8信號線(xiàn)與地線(xiàn)或地平面的分層布線(xiàn)
      (圖8信號線(xiàn)與地線(xiàn)或地平面的分層布線(xiàn))
        E、 特別敏感的器件之間的較長(cháng)的電源線(xiàn)或信號線(xiàn)應每隔一定間隔與地線(xiàn)的位置對調一下。對調的含義 是將一根導線(xiàn)從上移到下面,或從左邊移到右邊,另一根導線(xiàn)則做相反的調整。圖9表明了這種方法與減小 環(huán)路面積的等同效果:對調有關(guān)導線(xiàn)后,只有較小的環(huán)路存在。
        F、 在電源線(xiàn)與地線(xiàn)間安裝高頻旁路電容。因為在靜電放電較低的頻率段,旁路電容的阻抗較低,在這 些頻率處,旁路電容能有效減小電源與地間的環(huán)路面積。然而,在靜電放電較高的頻率段,由于寄生電感的影 響,即使是高頻電容,其作用也很有限。
        當然,電源線(xiàn)與地線(xiàn)彼此靠得越近,濾波電容的效果就越不明顯。因為環(huán)路面積已經(jīng)足夠小了。圖10和11說(shuō)明了這種效果。即使在每個(gè)元件旁邊都安裝旁路電容器,圖10中的電路仍有很大的環(huán)路面積。
      圖10安裝旁路電容器的大環(huán)路面積
      (圖10安裝旁路電容器的大環(huán)路面積)
      圖11安裝旁路電容的小環(huán)路面積
      (圖11安裝旁路電容的小環(huán)路面積 )
        圖11中所示的電路,由于將電源線(xiàn)與地線(xiàn)緊挨著(zhù)放在一起布置,使得環(huán)路面積大大減小。然而,即使將 電源線(xiàn)與地線(xiàn)并列分布,較長(cháng)的導線(xiàn)仍會(huì )導致較大的環(huán)路面積。
        二、使導線(xiàn)長(cháng)度盡量短
        天線(xiàn)要具有較高的效率,其長(cháng)度必須是波長(cháng)很大的一部分。這就是說(shuō),較長(cháng)的導線(xiàn)將有利于接收靜電放電 脈沖產(chǎn)生的更多的頻率成份;而較短的導線(xiàn)只能接收較少的頻率成分。因此,短導線(xiàn)從靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng) 中接收并饋入電路的能量較少。
        使導線(xiàn)盡可能短是一個(gè)比是環(huán)路面積盡量小更容易實(shí)現的措施。 因為它不象信號環(huán)路那樣不容易識別, 環(huán) 路面積的盡可能小不可能立即看到,而導線(xiàn)的長(cháng)短則是很顯然的。有關(guān)設計步驟如下:
        a)使所有元件緊靠在一起,PCB設計人員不應將元件過(guò)于分散而占用更多的面積;
        b)在相關(guān)的元件組,相互之間具有很多互連線(xiàn)的元件應彼此靠得很近。例如,I/O器件是與I/O連接器 盡量靠得近些;
        c)如有可能的話(huà),從線(xiàn)路板的中心饋送電源或信號,而不要從線(xiàn)路板邊緣饋送,如圖12所示,中間的 饋送信號使大多數元件的連線(xiàn)最短。當線(xiàn)路板為正方形時(shí),這樣做的效果最明顯,
        當線(xiàn)路板狹長(cháng)時(shí),效果則不 很明顯。但只要可能,還是應該盡量這樣做。 前面提出的PCB設計規則主要針對靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應。但值得注意的是,前面介紹的降低天線(xiàn)效率的方法, 這也有助于防止共模噪聲轉化成會(huì )帶來(lái)更******煩的差模噪聲, 這在本章開(kāi)始列出的一般性方法的第9條中已提及過(guò)。之所以有這樣的效果,是因為前述的各種步驟都有助于減小各種PCB回路的阻抗差異。 例如,規則一中的步驟D特別有用,因為這樣處理會(huì )使信號線(xiàn)與相關(guān)地線(xiàn)的回路阻抗幾乎相等。因此,串入 到這兩條路徑中的共模噪聲在幅度上也很接近,產(chǎn)生的差模噪聲極小。另外,PCB設計也能采取措施減小由 于靜電場(chǎng)和電荷注入所帶來(lái)的問(wèn)題。 下面講述的規則就與這個(gè)問(wèn)題有關(guān), 你會(huì )發(fā)現有幾個(gè)規則與前述規則相同。
        三、盡可能在PCB上使用完整的地線(xiàn)面(建議采用多層板)
        前面已提到過(guò),地線(xiàn)面有助于減小環(huán)路面積,同時(shí)也降低了接收天線(xiàn)的效率。地線(xiàn)面作為一個(gè)重要的電荷 源,可抵消靜電放電源上的電荷,這有利于減小靜電場(chǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。PCB地線(xiàn)面也可作為其對面信號線(xiàn)的屏 蔽體(當然,地線(xiàn)面的開(kāi)口越大,其屏蔽效能就越低)。另外,如果發(fā)生放電,由于PCB板的地平面很大,電 荷很容易注入到地線(xiàn)面中,而不是進(jìn)入到信號線(xiàn)中。這樣將有利于對元件進(jìn)行保護,因為在引起元件損壞前, 電荷可以泄放掉。(然而,即使泄放到地的電荷也可能損壞器件,應采取措施加以避免)
        四、加強電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間的電容耦合
        電源線(xiàn)與地線(xiàn)間的耦合通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現,這在前面已經(jīng)提到過(guò)。
        A、 使電源線(xiàn)與地線(xiàn)靠得很近,或采用多層PCB板。這將在電源線(xiàn)和地線(xiàn)間產(chǎn)生更多的寄生電容。
        B、 在電源線(xiàn)與地線(xiàn)之間接入高頻旁路電容(電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場(chǎng)合)。 電源線(xiàn)與地線(xiàn)間的耦合將有助于減小電荷注入問(wèn)題。 兩個(gè)物體之間由各個(gè)物體上電荷量的差異造成的電壓取決 于兩者(V=Q/C)間的電容。如果X庫侖的電荷注入到電源線(xiàn)中,就會(huì )在電源線(xiàn)和地線(xiàn)間產(chǎn)生Y伏的電壓。 如果電源線(xiàn)與地線(xiàn)間的電容增加一倍,X庫侖的電荷將僅僅產(chǎn)生Y/2伏的電壓。當然,這個(gè)較小的電壓造成 損壞的可能性也相應減小。 五、隔離電子元件與靜電放電電荷源 在靜電放電效應的討論中,曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過(guò)隔離來(lái)解決。對于PCB設計,這主要 指將電子儀器與可能的電荷源隔離開(kāi), 也與連接器端口或感應電流趨于集中的信號線(xiàn)相隔離。 可采取以下兩個(gè) 步驟來(lái)進(jìn)行隔離:
        A、 使電子元件與PCB走線(xiàn)遠離會(huì )暴露在靜電放電中的PCB部分(例如,操作人員可直接觸摸到的地 方)。
        B、 使電子元件和PCB走線(xiàn)遠離會(huì )暴露在靜電放電中的任意一個(gè)金屬物體(包括螺釘、機架、連接器外 殼等)。后一個(gè)要求小于下面的設計規則相關(guān)聯(lián)。 六、PCB上的機殼地線(xiàn)的阻抗要低,隔離要好 盡管PCB軌線(xiàn)上的阻焊層有利于隔離PCB走線(xiàn),但阻焊層可能會(huì )導致插針孔發(fā)生電弧。
        A、 隔離機殼地線(xiàn)的最好方法是使之遠離電子儀器。另外,如果機殼地線(xiàn)的阻抗很低,靜電放電電流易 于通過(guò),就不會(huì )發(fā)生電弧。當然,如此迅速的電荷泄放會(huì )產(chǎn)生更強的場(chǎng),但這比電荷通過(guò)電弧直接注入到電路 中好得多。
        B、 機殼地線(xiàn)的長(cháng)度不能超過(guò)其寬度的四或五倍。比這個(gè)比例更寬的地線(xiàn)僅能使其阻抗(電感)稍微減 小,但是更窄的地線(xiàn)卻會(huì )使其阻抗大幅度增加。這個(gè)長(cháng)寬比例意味著(zhù)機殼地線(xiàn)必須很短才行,否則當地線(xiàn)增長(cháng) 時(shí),其寬度要很寬。 設計規則的優(yōu)先級: 至此,關(guān)于防止靜電放電危害的PCB設計技術(shù)的討論已告一段落。當然,有些時(shí)候,這些規則不能全部 滿(mǎn)足。這時(shí),必須有意識地對一些東西進(jìn)行取舍。本章開(kāi)始部分提出三類(lèi)潛在的靜電放電危害可用于確定處理 靜電放電問(wèn)題的一般順序。通常是采用以下順序來(lái)進(jìn)行考慮:
        1、 防止電荷注入到系統電路,因為這會(huì )造成損壞電路。
        2、 防止靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。
        3、 防止靜電場(chǎng)。 所幸的是,這些規則的大部分都是兼容的,在典型的PCB設計中,所有的問(wèn)題都可以得到很好的解決。PCB設計指南總結: 對于靜電放電問(wèn)題的解決方案,可按以下十二條規則來(lái)進(jìn)行(按優(yōu)先順序排列):
        1、PCB上的非絕緣機殼地線(xiàn)必須與其他走線(xiàn)相距至少2.2毫米。 這適用于連接到機殼地上的所有物體, 包括軌線(xiàn);
        2、 機殼地線(xiàn)的長(cháng)度不應超過(guò)其寬度的五倍;
        3、 使未絕緣的電路與操作人員可觸摸到的PCB區域或未接地的金屬物體相隔至少2厘米以上;
        4、 電源線(xiàn)與地線(xiàn)要么并排平行地放在PCB的同一層上,要么放在相鄰的兩層;
        5、 地平面和地線(xiàn)必須連成網(wǎng)格狀。在任意一個(gè)方向上,垂直地線(xiàn)與水平地線(xiàn)至少每隔6厘米連接一次。 尤其是雙面PCB板,也就是說(shuō),PCB板的第一層可以布水平的地線(xiàn),而第二層可布垂直的地線(xiàn),必須至少每 隔6厘米放置一個(gè)過(guò)孔以將兩者相連(當然,在小于6厘米的地方進(jìn)行連接是更好的,地平面比地線(xiàn)網(wǎng)格要 好一些);
        6、 所有信號線(xiàn)必須在地線(xiàn)面邊緣或地線(xiàn)以?xún)?3毫米以上。地線(xiàn)既可以布在與信號線(xiàn)相同的層,也可布 在與之緊挨著(zhù)的層上。如果信號線(xiàn)的長(cháng)度達到30厘米或其以上,則必須在其旁邊放置一根地線(xiàn),在信號線(xiàn)上 方或其相鄰面上放置地線(xiàn)也是可以的;
        7、 電源線(xiàn)與地線(xiàn)之間跨接的旁路電容器,彼此之間的距離不能大于8厘米(這樣每片集成塊可能會(huì )有 多個(gè)旁路電容相連);
        8、 相互之間連線(xiàn)較多的元件要靠在一起;
        9、 所有元件必須盡可能靠近I/O連接器(注意,首先應滿(mǎn)足第3條);
        10、將PCB的空余部分全部填以地線(xiàn)(應注意在每隔6厘米的地方進(jìn)行連接以產(chǎn)生地線(xiàn)網(wǎng)格);
        11、如可能的話(huà),將饋送電源線(xiàn)或信號線(xiàn)從PCB板的邊緣中心處引出,而不應從某一個(gè)角上引出來(lái)。
        12、對于特別敏感且較長(cháng)的信號線(xiàn)(30厘米或更長(cháng)),應每隔一定間隔與其地線(xiàn)對調。 注意:這些設計規則必須應用到系統內的所有PCB板上(例如主板及插在上面的板卡)。例如,當應用第2條時(shí),機殼地線(xiàn)長(cháng)度包括母板與子板所有地線(xiàn)的長(cháng)度之和!
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