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        應(yīng)用方案

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        PCB設(shè)計(jì)如何考慮減小靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)?
        發(fā)布者:深圳市踏歌科技有限公司  發(fā)布時(shí)間:2017-10-30
          盡管印刷線路板(PWB,通常也稱(chēng)之為PCB)的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)下述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響,但是主要是對(duì)第三 種效應(yīng)產(chǎn)生影響。
          1.靜電放電之前靜電場(chǎng)的效應(yīng)
          2.放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)
          3.靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng) 下面的討論將針對(duì)第三條所述的問(wèn)題給出設(shè)計(jì)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(hào)
          2.在接收端使用濾波器以衰減信號(hào)
          3.增加距離以減小耦合
          4.降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合
          5.將接收天線與發(fā)射天線垂直放置以減小耦合
          6.在接收天線與發(fā)射天線之間加屏蔽
          7.減小發(fā)射及接收天線的阻抗來(lái)減小電場(chǎng)耦合
          8.增加發(fā)射或接收天線之一的阻抗來(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(hào),使它們保持共模方式 在具體設(shè)計(jì)中,如電場(chǎng)或磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位,應(yīng)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(shè)計(jì)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(xì)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(nèi)感應(yīng)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(yīng)出的電流也較小,這就說(shuō)明環(huán)路面積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗(yàn)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(shí)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電源線與地線構(gòu)成的PCB回路
        (圖2電源線與地線構(gòu)成的PCB回路 )
          與其試著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、電源線與地線應(yīng)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)明了電源線與地線同集成電 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、多條電源及地線應(yīng)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(shè)計(jì)中,PCB的一 面布垂直線,而另一面則布水平線(此圖中僅畫(huà)出地線)。
          如圖4所示,這個(gè)典型的地線結(jié)構(gòu)會(huì)使環(huán)路面積很大,可以在雙面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積, 如圖5所示。網(wǎng)格構(gòu)成的環(huán)路面積小得多,這將使感應(yīng)電流很低,出現(xiàn)問(wèn)題的可能性也較小。插在底板(或 母板)PCB上的PCB板,應(yīng)該有多個(gè)地線和電源線節(jié)點(diǎn),且在連接器長(zhǎng)度方向上均勻布置。這將有利于減小 整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)路面積。
        圖4典型的PCB地線結(jié)構(gòu)
        (圖4典型的PCB地線結(jié)構(gòu))
        圖5地線網(wǎng)格
        (圖5地線網(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)路天線的效能,下面講的步驟C和D將降低天線及信號(hào)線的效率。
          C、 并聯(lián)的導(dǎo)線必須緊緊地放在一起,最好僅使用一條粗導(dǎo)線。圖6表明了這一原則。這就是說(shuō),地平 面不應(yīng)有大的開(kāi)口,因?yàn)檫@些開(kāi)口如同平行導(dǎo)線一般,其作用等同于環(huán)路天線。
        圖6縮短平行路徑
        (圖6縮短平行路徑)
          D、 信號(hào)線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。在每根信號(hào)線的旁邊安排一條地線。不過(guò),這也許會(huì)產(chǎn)生很多 平行地線。為了避免這個(gè)問(wèn)題,如前所述,可采用地平面或地線網(wǎng)格,而不采用單條地線。一個(gè)例子如圖7所示。在這里,假設(shè)由于某種原因信號(hào)線不能移動(dòng)。
        圖7信號(hào)線與地線緊挨著布線
        (圖7信號(hào)線與地線緊挨著布線)
          可在與信號(hào)線相對(duì)的一面上布置地線面, 如圖8所示。 實(shí)際上, 將空余PCB部分填以地線面是個(gè)好辦法 。
        圖8信號(hào)線與地線或地平面的分層布線
        (圖8信號(hào)線與地線或地平面的分層布線)
          E、 特別敏感的器件之間的較長(zhǎng)的電源線或信號(hào)線應(yīng)每隔一定間隔與地線的位置對(duì)調(diào)一下。對(duì)調(diào)的含義 是將一根導(dǎo)線從上移到下面,或從左邊移到右邊,另一根導(dǎo)線則做相反的調(diào)整。圖9表明了這種方法與減小 環(huán)路面積的等同效果:對(duì)調(diào)有關(guān)導(dǎo)線后,只有較小的環(huán)路存在。
          F、 在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因?yàn)樵陟o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(dāng)然,電源線與地線彼此靠得越近,濾波電容的效果就越不明顯。因?yàn)榄h(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,由于將電源線與地線緊挨著放在一起布置,使得環(huán)路面積大大減小。然而,即使將 電源線與地線并列分布,較長(zhǎng)的導(dǎo)線仍會(huì)導(dǎo)致較大的環(huán)路面積。
          二、使導(dǎo)線長(zhǎng)度盡量短
          天線要具有較高的效率,其長(zhǎng)度必須是波長(zhǎng)很大的一部分。這就是說(shuō),較長(zhǎng)的導(dǎo)線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(dǎo)線只能接收較少的頻率成分。因此,短導(dǎo)線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng) 中接收并饋入電路的能量較少。
          使導(dǎo)線盡可能短是一個(gè)比是環(huán)路面積盡量小更容易實(shí)現(xiàn)的措施。 因?yàn)樗幌笮盘?hào)環(huán)路那樣不容易識(shí)別, 環(huán) 路面積的盡可能小不可能立即看到,而導(dǎo)線的長(zhǎng)短則是很顯然的。有關(guān)設(shè)計(jì)步驟如下:
          a)使所有元件緊靠在一起,PCB設(shè)計(jì)人員不應(yīng)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的元件應(yīng)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,從線路板的中心饋送電源或信號(hào),而不要從線路板邊緣饋送,如圖12所示,中間的 饋送信號(hào)使大多數(shù)元件的連線最短。當(dāng)線路板為正方形時(shí),這樣做的效果最明顯,
          當(dāng)線路板狹長(zhǎng)時(shí),效果則不 很明顯。但只要可能,還是應(yīng)該盡量這樣做。 前面提出的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則主要針對(duì)靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)。但值得注意的是,前面介紹的降低天線效率的方法, 這也有助于防止共模噪聲轉(zhuǎn)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?yàn)榍笆龅母鞣N步驟都有助于減小各種PCB回路的阻抗差異。 例如,規(guī)則一中的步驟D特別有用,因?yàn)檫@樣處理會(huì)使信號(hào)線與相關(guān)地線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(shè)計(jì)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(guī)則就與這個(gè)問(wèn)題有關(guān), 你會(huì)發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)規(guī)則與前述規(guī)則相同。
          三、盡可能在PCB上使用完整的地線面(建議采用多層板)
          前面已提到過(guò),地線面有助于減小環(huán)路面積,同時(shí)也降低了接收天線的效率。地線面作為一個(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地線面也可作為其對(duì)面信號(hào)線的屏 蔽體(當(dāng)然,地線面的開(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面中,而不是進(jìn)入到信號(hào)線中。這樣將有利于對(duì)元件進(jìn)行保護(hù),因?yàn)樵谝鹪p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(yīng)采取措施加以避免)
          四、加強(qiáng)電源線和地線之間的電容耦合
          電源線與地線間的耦合通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn),這在前面已經(jīng)提到過(guò)。
          A、 使電源線與地線靠得很近,或采用多層PCB板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生更多的寄生電容。
          B、 在電源線與地線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)。 電源線與地線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(kù)侖的電荷注入到電源線中,就會(huì)在電源線和地線間產(chǎn)生Y伏的電壓。 如果電源線與地線間的電容增加一倍,X庫(kù)侖的電荷將僅僅產(chǎn)生Y/2伏的電壓。當(dāng)然,這個(gè)較小的電壓造成 損壞的可能性也相應(yīng)減小。 五、隔離電子元件與靜電放電電荷源 在靜電放電效應(yīng)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(duì)于PCB設(shè)計(jì),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(yīng)電流趨于集中的信號(hào)線相隔離。 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走線遠(yuǎn)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走線遠(yuǎn)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(jī)架、連接器外 殼等)。后一個(gè)要求小于下面的設(shè)計(jì)規(guī)則相關(guān)聯(lián)。 六、PCB上的機(jī)殼地線的阻抗要低,隔離要好 盡管PCB軌線上的阻焊層有利于隔離PCB走線,但阻焊層可能會(huì)導(dǎo)致插針孔發(fā)生電弧。
          A、 隔離機(jī)殼地線的最好方法是使之遠(yuǎn)離電子儀器。另外,如果機(jī)殼地線的阻抗很低,靜電放電電流易 于通過(guò),就不會(huì)發(fā)生電弧。當(dāng)然,如此迅速的電荷泄放會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)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(jī)殼地線的長(zhǎng)度不能超過(guò)其寬度的四或五倍。比這個(gè)比例更寬的地線僅能使其阻抗(電感)稍微減 小,但是更窄的地線卻會(huì)使其阻抗大幅度增加。這個(gè)長(zhǎng)寬比例意味著機(jī)殼地線必須很短才行,否則當(dāng)?shù)鼐€增長(zhǎng) 時(shí),其寬度要很寬。 設(shè)計(jì)規(guī)則的優(yōu)先級(jí): 至此,關(guān)于防止靜電放電危害的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)的討論已告一段落。當(dāng)然,有些時(shí)候,這些規(guī)則不能全部 滿足。這時(shí),必須有意識(shí)地對(duì)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(tǒng)電路,因?yàn)檫@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(guī)則的大部分都是兼容的,在典型的PCB設(shè)計(jì)中,所有的問(wèn)題都可以得到很好的解決。PCB設(shè)計(jì)指南總結(jié): 對(duì)于靜電放電問(wèn)題的解決方案,可按以下十二條規(guī)則來(lái)進(jìn)行(按優(yōu)先順序排列):
          1、PCB上的非絕緣機(jī)殼地線必須與其他走線相距至少2.2毫米。 這適用于連接到機(jī)殼地上的所有物體, 包括軌線;
          2、 機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不應(yīng)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(qū)域或未接地的金屬物體相隔至少2厘米以上;
          4、 電源線與地線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、 地平面和地線必須連成網(wǎng)格狀。在任意一個(gè)方向上,垂直地線與水平地線至少每隔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,而第二層可布垂直的地線,必須至少每 隔6厘米放置一個(gè)過(guò)孔以將兩者相連(當(dāng)然,在小于6厘米的地方進(jìn)行連接是更好的,地平面比地線網(wǎng)格要 好一些);
          6、 所有信號(hào)線必須在地線面邊緣或地線以?xún)?nèi)13毫米以上。地線既可以布在與信號(hào)線相同的層,也可布 在與之緊挨著的層上。如果信號(hào)線的長(zhǎng)度達(dá)到30厘米或其以上,則必須在其旁邊放置一根地線,在信號(hào)線上 方或其相鄰面上放置地線也是可以的;
          7、 電源線與地線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(yīng)滿足第3條);
          10、將PCB的空余部分全部填以地線(應(yīng)注意在每隔6厘米的地方進(jìn)行連接以產(chǎn)生地線網(wǎng)格);
          11、如可能的話,將饋送電源線或信號(hào)線從PCB板的邊緣中心處引出,而不應(yīng)從某一個(gè)角上引出來(lái)。
          12、對(duì)于特別敏感且較長(zhǎng)的信號(hào)線(30厘米或更長(zhǎng)),應(yīng)每隔一定間隔與其地線對(duì)調(diào)。 注意:這些設(shè)計(jì)規(guī)則必須應(yīng)用到系統(tǒng)內(nèi)的所有PCB板上(例如主板及插在上面的板卡)。例如,當(dāng)應(yīng)用第2條時(shí),機(jī)殼地線長(zhǎng)度包括母板與子板所有地線的長(zhǎng)度之和!
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