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PCB的静电防护设计与措施

      由于不同的元器件抗静电敏感度是不一样的,人们在产品设计时应该考虑选取静电敏感度等级高的器件。一般规定静电损伤电压超过16KV的为静电不敏感器件;低于16KV的为静电敏感器件。
      在设计PCB时应注意电子元器件的选择以及设计中应采取的一些措施。
      元器件的静电敏感度一般分为3级:
      一级,≤2KV,静电放电敏感元器件;
      二级,2KV,4KV,静电放电敏感元器件;
      三级,4KV,16KV,静电放电敏感元器件。
      设计中要考虑器件的抗静电能力特别是接口器件的抗静电能力。如果由于器件的性能问题,确实没有更高抗静电能力的器件时,则要对抗静电能力差的器件采取保护措施。选择合适的元器件后,就要考虑抗ESD设计可采取的措施,这里从两个方面介绍:
       1.在工艺结构方面所采取的措施:
       低速电子产品设计中,通常采用电气连接件、连接器、屏蔽等结构设计提高产品的抗干扰性能。近年来,因移动通信、数据通信、交换技术等高密度信息流数据处理设备的结构设计要求所推广采用的CPCI标准,不仅能达到预期效果,在可靠性、互换性方面大大提高、模块化方面很成功,并且成本也大幅降低了。
       2.在PCB设计方面所采取的措施:
       在PCB设计方面,对于静电防护通常采取隔离、增强单板静电免疫力和采用保护电路的方法进行设计,以达到电磁兼容标准对静电放电试验的要求。
       A,隔离措施静电放电需要满足3个条件,即具有一定量的电荷、在一定的距离内并且存在着可放电的物体。设计PCB时,控制一定的放电距离非常重要。对于PCB上静电敏感器件,在布局时需要考虑将其布在远离干扰的地方,特别是远离静电放电源。对PCB上有金属外壳的器件要良好接地。电气隔离也是抑制静电放电冲击的一种有效方法。例如采用光电耦合器、变压器可以抑制电源部分的静电放电,而光纤、无线和红外可适用于信号通路。操作面板上应尽可能采用绝缘材料,而且旋钮下部表面不镀金属物,也可采用薄膜开关面板。若必须用金属并且内部电路无连接的部件外表应涂敷绝缘层,以加强绝缘强度。在整机设计时,整机搭接工艺要好,并认真遵守CPCI规范,不可简单的照抄照搬.
       B,增强单板静电免疫能力的措施:
       PCB对静电放电除了可采取隔离,还可以通过合理布线的方法来增强产品的静电抗干扰能力,具体可参考CPCI规范实施。在PCB上设置大面积的地层、电源层平面,对于信号线一定要紧靠电源平面层或地平面层,以保证信号回流通路的最短、最优信号环路最小。大规模集成电路,每个去耦电容应并接一充放电电容。该电容选择10uF的钽电容或聚碳酸酯电容。时钟线和敏感信号线一定要采用电源、地层平面进行屏蔽处理。由于瞬态静电电流产生的磁场非常敏感,所以PCB所有回路面积应尽可能小。与后背板相连的插座需要用多排插针接地,内部电路同样应离开接插件金属壳体6-8mm以上。印制板在靠近接插件部位,模拟、数字、功率、继电器、低电电路、负电源的接地面等要采用多点相连,避免电源平面、地平面的"孤岛"效应。对干扰源高频电路和静电敏感电路,应实现局部屏蔽或单板整体屏蔽。在电源和地的附近应加不同频率的滤波电容。集成电路的电源和地之间应加去耦电容,对于多引脚的电源和地可采用多个去耦电容。选择合适的电容和电阻会提高信号线抗静电的能力,选择不合适阻容值会引起信号失真,限制通讯电缆的长度和通讯速率,可影响到信号线的传输质量和特性阻抗。应对电源进线和信号进线用滤波器滤波,在电源和地之间用高频电容器去耦,电源输入端可用LC网络滤波,对射频组件的向外引线应用穿心电容器滤波或采用带滤波器的接插件进行滤波。对于动态RAM器件,去耦电容的容量应该较大。
       C,保护电路的措施在一些接口电路上,因为接口电路需要与外部进行连接可以采用光电耦合器或隔离变压器、光纤、无线和红外线方式隔离。
       在设计PCB时广泛使用的是赛利美尔半导体的高分子静电抑制器。ESD可用于防过电压、抗干扰吸收浪涌功率等,是一种理想的保护器件。这种器件的防护对接口电路部分的过压非常有效,但仍存在一些缺点,增加电路板面积,增加信号线的等效电容。对于内部集成了静电放电防护功能的串行接口的器件,电路板面积节省,性价比提高并且不会引入等效电容。
      设计中,对于解决ESD问题要从系统的角度考虑,所有电磁兼容设计的技术措施对于静电的防护都是有好处的。