李偉權(quán)

摘 要：對于電子產(chǎn)品的可靠性、安全性而言，靜電會(huì)帶來很大的危害。因此，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須在PCB的布局、布線以及元器件的選擇上做到對ESD的可靠防護(hù)。

關(guān)鍵詞：靜電放電（ESD）；可靠性；敏感元件；PCB設(shè)計(jì)規(guī)則

一、引言

電子技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了電子產(chǎn)品向小型化、智能化方向發(fā)展，同時(shí)也為電子產(chǎn)品的使用帶來了可靠性和安全性的問題。而靜電放電（ESD）會(huì)嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國每年因ESD問題給十多個(gè)行業(yè)帶來超過200億美元的損失，其中給電子行業(yè)帶來的損失就有100多億美元。因此，對于身處在充滿了各種復(fù)雜的電磁環(huán)境里的電子產(chǎn)品來說，研究ESD防護(hù)的問題顯得格外重要。

二、靜電

靜電是以能量的形式存在于物體表面，當(dāng)條件滿足時(shí)就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。ESD的能量傳播一般有傳導(dǎo)和耦合兩種形式，其中耦合又分為電容耦合和電感耦合。例如：通過人手的觸摸，就有可能將人體靜電傳導(dǎo)到電子電路或電子元件上。在干燥的環(huán)境中，人體ESD電壓可達(dá)10KV以上。而半導(dǎo)體器件的耐靜電放電電壓值一般從幾百伏到幾千伏，極易受到ESD的損傷。耦合則通過電磁波的形式穿透電子產(chǎn)品外殼耦合到敏感電路中，從而影響或?qū)е码娐凡荒苷９ぷ?。靜電對電子產(chǎn)品造成的損傷包括硬損壞、軟損壞和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等。其中，硬損傷會(huì)對電子產(chǎn)品造成永久性的損壞。軟損壞則會(huì)使電子產(chǎn)品的可靠性下降。數(shù)據(jù)錯(cuò)誤一般會(huì)對電子產(chǎn)品造成較小的臨時(shí)性影響。

三、ESD的防護(hù)

1.電子元器件的選擇

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在選用元器件時(shí)就必須考慮元器件的ESD防護(hù)能力，不同的電子元器件的ESD防護(hù)能力是不一樣的。電子元器件的靜電敏感度一般分為3級，1級靜電放電敏感元器件的電壓≤2KV，2級靜電放電敏感器件電壓為2～4KV，3級靜電放電敏感元件器的電壓為4～16KV。一般對ESD敏感的器件有MOS管、集成電路（IC）、光電器件、運(yùn)算放大器、電荷耦合器件和微波器件等。在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，需要考慮元器件的ESD防護(hù)能力，特別是接口器件，對于ESD防護(hù)能力差的元件應(yīng)采取保護(hù)措施。減少敏感器件的應(yīng)用能明顯降低ESD對電子產(chǎn)品的損害。靜電對于半導(dǎo)體器件損傷模式如表1所示。

2.PCB的ESD防護(hù)

PCB是電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。從電子產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上就做好ESD的防護(hù)設(shè)計(jì)，可以有效提高電子產(chǎn)品的ESD防護(hù)。這樣，相比在電子產(chǎn)品進(jìn)入測試、生產(chǎn)環(huán)節(jié)時(shí)再來著手考慮ESD的防護(hù)而言更有效果。

在PCB的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)中，電源平面、接地平面和信號線的環(huán)路布局和器件布局以及走線長度、寬度的安排是應(yīng)該主要考慮的因素。如果在PCB層上設(shè)置大面積的接地平面和電源平面，信號線必須靠近接地或電源平面，目的是保證信號環(huán)路面積最小。而多層PCB能夠更好地控制信號環(huán)路面積，相對于雙層PCB而言，多層PCB中能夠很好控制地平面和電源平面以及排列緊密的信號線與地線之間的間距，其共模阻抗和感性耦合大為降低，一般只有雙層PCB的1/10到1/100，可以有效降低感應(yīng)ESD電流產(chǎn)生的高頻電磁信號。

另外，在電源與接地之間設(shè)置高頻旁路電容可以有效降低電源與接地平面的環(huán)路面積，對低頻的ESD有很好的抑制效果。在PCB器件布局上應(yīng)該嚴(yán)格分開電路的模擬和數(shù)字部分以及低頻和高頻部分，要重點(diǎn)保護(hù)核心電路部分，可以采用系統(tǒng)地線或接地地平面將核心電路與其它電路部分間隔開來。

同時(shí)，電源部分可采用濾波電路、DC-DC隔離或光電隔離，接地部分通常采用TVS器件及配套的旁路電容形成電壓鉗位的效果，保持電源與接地之間的電壓差。有條件的還可在電路板容易放電的位置邊緣設(shè)置一個(gè)8～10mm的隔離區(qū)，這個(gè)隔離區(qū)也可以抵消8～10KV的靜電電壓。在器件布局時(shí)應(yīng)考慮將容易受到ESD干擾的器件布置在遠(yuǎn)離靜電干擾的區(qū)域或是盡量采用靜電敏感度低的器件。

通常情況下，對于易受ESD干擾的器件，主要從輻射和傳導(dǎo)兩個(gè)途徑入手進(jìn)行防護(hù)。針對輻射，ESD可采用加屏蔽罩的方法；針對傳導(dǎo)，ESD可在需要保護(hù)的器件入口處增加ESD器件，從而吸收傳導(dǎo)進(jìn)來的ESD。

對PCB走線的合理布置也可以有效抵御ESD干擾。比如：電源走線、接地走線、大功率走線與其它小信號線之間的距離需保持在0.3mm左右，對于容易受到ESD干擾的電路走線應(yīng)遠(yuǎn)離印刷電路板的邊緣，同時(shí)與其它電路走線的距離一般大于0.3mm，同時(shí)PCB的板邊緣最好用接地走線（上接第52頁）包圍，也能起到很好的隔離作用。

在電子產(chǎn)品防護(hù)ESD的措施中，還可以從機(jī)殼上增加些簡單實(shí)用的方法來實(shí)現(xiàn)ESD防護(hù)。比如：使用完全屏蔽的機(jī)殼，或是在電子產(chǎn)品機(jī)殼上增加屏蔽擋板，也可以將PCB板上的信號地與機(jī)殼單點(diǎn)連接，但應(yīng)特別注意連接點(diǎn)的選擇。另外，在機(jī)殼與電路板之間增加共模濾波電容和鐵氧體磁珠也是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

四、結(jié)語

ESD的防護(hù)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對于本文所闡述的一些基本防護(hù)方法還應(yīng)結(jié)合電子產(chǎn)品實(shí)際的要求來綜合考慮，采用合理、簡捷的方法實(shí)現(xiàn)抗ESD的目的。

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