PCB板设计与ESD静电释放.doc

一、静电对PCB板的危害1、 静电的三个特点及危害① 吸引或排斥（吸附灰尘）② 与大地有电位差（可高达几万伏特，造成半导体器件的介质击穿）③ 会产生放电电流：静电放电与稳压电源产生的电，本质上都是电荷积聚，但是有着明显的区别 首先稳压源是持续输出，稳定放电，而静电放电的电源是空间电荷，能量较小虽 然能量较小，但是放电过程十分短暂，往往是一瞬间就完成，只能提供爆炸性的击 穿能量，会产生极大的破坏力静电放电的能量较小，但其电气很复杂，无法控制 也无法预测2、 人体静电了解人体静电来自于FI常生活中人体消耗的机械能转换而来人体是一个静电导体 当人体与大地绝缘的时候（未佩戴静电环等等），就类似于一个电容，当人体产生 一个很细微的动作吋，就会引起相当高的静电电压（峰值高达上万伏特，只是能量 很低）当静电释放到静电敏感器件时，就会造成敏感器件的损伤假设PCB板是一座城市，而上面的每一个器件是一座建筑毫无疑问，带静 电的手就是能够带来落雷与闪电的宙斯之手3、 静电进入电子设备的耦合途径ESD会通过各种各样的耦合途径找到设备的薄弱点ESD频率范阑宽，不仅仅 是一些离散的频点，它甚至可以进入窄带电路中为了防止ESD干扰和损毁，必 须隔离这些路径或者加强设备的抗ESD能力：① 初始电场能容性耦合到表面及较大的网络上，并在ESD电弧100mm处产生高 达4000V/m的高压。

② 电弧注入的电荷/电流可以产生以下的损坏和故障；a、穿透元器件内部薄的绝缘层，损毁MOSFET和CMOS器件的栅极b、CMOS 器件中的触发器锁死c、短路反偏的PN结d、短路正向偏置的PN结e、 融化有源器件内部的焊接线或铝线③ 电流会导致导体上电压脉冲（V=Lxdl/dt）,这些导体可能是电源、地或信号线, 这些电压脉冲将进入与这些网络相连的每一个器件④ 电弧会产生一个频率范围在1MHz到500MHz的强磁场，并感性耦合到临近的 每一个布线环路，在离ESD电弧100mm远的地方产生高达15A/m的电流⑤ 电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上，这些信号线起到接收天线的作用ESD电弧电流放电时首先对被击中金属物体的寄生电界充电，然后流经每一个 可能的导电路径电弧电流更容易在片状、或短而宽的带状导体而不是窄线上流过 金属部件之间通过绑定建立低阻抗的路径，从而使相互之间的电压降至最低，而接 地则是提供最终泄放掉累积电荷的路径为了使接地和绑定能够有效地防止ESD， 应确保ESD电流密度和电流路径阻抗尽可能低：① 在ESD电流预计会流过的位置采用多点接地② 在预计ESD电流不会流过的位置采用单点接地。

③ 在靠近连接器的地方，要将连接器上的信号用一个L-C或者磁珠•电容滤波器接 到外壳的地上二、PCB板设计时静电的防控手段1、尽可能使用多层PCB相对于双面PCB板而言，地平面和电源平面以及排列紧密的信号线-地线间距能够 减小共模阻抗和感性耦合，使之达到双面PCB板的1/10到1/100通俗一点来讲，在多层PCB中，GND层作为一个重要的电荷源，可抵消静电放电 源上的电荷，这有利于减小静电场带来的问题PCB地层也可以作为其对信号线的屏 蔽体当发生静电放电时，电荷会很容易注入到地层，而不是进入到信号层然后窜入 信号线中这样有利于对器件进行保护，因为在引起破坏之前，电荷就释放掉了就 是我们说的 ESD (Electro-static discharge)具体的办法：① 尽量将每一个信号层都紧靠一个电源层或地线层；② 对于顶层和底层表面都有源器件、具有很短连接线以及许多填充地的高密度 PCB，可以考虑使川内线层大多数的信号线以及电源和地平面都在内层上， 因而类似于具备屏蔽功能的法拉第盒2、 地电荷注入ESD对地线层的直接放电可能损坏敏感电路在使用TVS二极管的同时还要使用 一个或一组商频旁路电容。

旁路电容充电吸收大:W:的电荷，TVS使感应电流分流，保 持TVS钳位电压的电压差TVS及旁路电容应放在距离被保护的1C尽可能近的位罝, 要确保TVS到地通路以及电容接线最短，以减少寄生电感效应3、 寄生电感在使用TVS来对静电放电分流吋，还需要注意一个问题，就是TVS管的寄生电感 效应寄生电感的存在会产生严重的电压过冲尽管使用了 TVS二极管，由于在电感 负载两端的感应电压VL=L*di/dt,此感应电压仍然可能超过被保护1C的损坏电压阀 值保护电路承受的总电压是TVS二极管钳位电压与寄生电感产生的电压之和一个 ESD瞬态感应电流在小于Ins的吋间内就能达到峰值(依据IEC61000-4-2标准)经 验设计准则是将分流通路设计得尽可能短，以此减少寄生电感效应所有的点感性通路必须考虑采用接地回路，TVS与被保护信号线之间的通路，以 及连接到TVS其间的通路被保护的信号线应该直接连接到接地而，若无接地而，则 接地冋路的连线应尽可能短TVS二极管的接地和被保护电路的接地点之间的距离应 尽可能短，以减少接地平面的寄生电感最后，TVS器件应尽可能靠近连接器以减少进入附近线路的瞬态耦合4、 LC滤波器LC组成的滤波器可以有效的减小高频静电进入电路。

电感的感抗特性能很好的 抑制高频ESD进入电路，而电容分流ESD的高频能量到地层5、 保护电源电子没备内部的电源分配系统是遭受ESD电弧感性耦合的主要对象下面的步 骤将有助于电源分配系统防范ESD① 将电源和相应的回路线紧密绞合在一起② 在每一根电源线进入电子设备的地方放•一个磁珠③ 在每•一个电源管脚和紧靠电子设备外壳地之间放•-个瞬流抑制器、金属氧化压敏电阻（MOV）或者lkV高频电容④ 最好在PCB上布置专门的电源和地平面，或者紧密的电源和地栅格，并采用 大量旁路和去耦电容6、抗ESD的布局布线设计通过PCB的分层设计，恰当的布局布线和安装以及上述ESD防范方法可以实现 PCB的抗ESD设计要达到期望的抗ESD能力，通常要通过几个测试-解决fu）题-重新 测试这样的周期，每一个周期都可能至少影响到一块PCB的没计在PCB设计过程 中，通过预测可以将绝大多数设计修改仅限于增减元器件要调整PCB布局布线， 使之具有最强的ESD防范性能① 确保每一个电路尽可能紧凑② 尽可能将所有连接器都放在一边③ 让元器件尽量远离板边④ 敏感信号线（Reset、PBINT）走板内层不要太靠近板边，同理RTC电路也是。

⑤ 可能的话，PCB四周保留一圈露铜的地线，不可以行成一个完整的封闭圈⑥ ESD器件接地良好，直接通过VIA连接到地平面⑦ 受保护的信号线保证先通过ESD器件，路径尽量短。