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PCB板中抗ESD措施設計分析

發布時間: 2021/3/16 12:12:54 | 42 次閱讀

       來自人體、環境甚至電子設備內部的靜電對于精密的半導體芯片會造成各種損傷,例如穿透元器件內部薄的絕緣層;損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極;CMOS器件中的觸發器鎖死;短路反偏的PN結;短路正向偏置的PN結;熔化有源器件內部的焊接線或鋁線。為了消除靜電釋放(ESD)對電子設備的干擾和破壞,需要采取多種技術手段進行防范。

       從分層、恰當的布局布線和安裝等方面介紹了PCB中的抗ESD設計。

(一)分層

       盡可能使用多層PCB,在多層PCB 中地線面作為一個重要的電荷源,可抵消靜電放電源上的電荷,這有利于減小靜電場帶來的問題。PCB 地線面也可作為其對信號線的屏蔽體(當然,地線面的開口越大,其屏蔽效能就越低)。另外,如果發生放電,由于PCB 板的地平面很大,電荷很容易注入到地線面中,而不是進入到信號線中。這樣將有利于對元件進行保護,因為在引起元件損壞前,電荷可以泄放掉。當然在某些方案中為降低成本,只能使用雙面板。

(二)電路環路

       電流通過感應進入到電路環路,這些環路是封閉的,并具有變化的磁通量。電流的幅度與環的面積成正比。較大的環路包含有較多的磁通量,因而在電路中感應出較強的電流。因此,必須減少環路面積。

(三)電路連線長度

       要確保信號線盡可能短。因為天線要具有較高的效率,其長度必須是波長很大的一部分。這就是說,較長的導線將有利于接收靜電放電脈沖產生的更多的頻率成份;而較短的導線只能接收較少的頻率成分。因此,短導線從靜電放電產生的電磁場中接收并饋入電路的能量較少。信號線的長度大于300mm(12 英寸)時,一定要平行布一條地線,在信號線上方或其相鄰面上放置地線也是可以的。在相關的元件組,相互之間具有很多互連線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;以減少互連的印制線長度。

(四)地電荷注入

       ESD 對地線層的直接放電可能損壞敏感電路。在使用TVS二極管的同時還要使用一個或多個高頻旁路電容器,這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。如圖6 所示。旁路電容減少了電荷注入,保持了電源與接地端口的電壓差。TVS使感應電流分流,保持TVS 鉗位電壓的電位差。TVS 及電容器應放在距被保護的IC 盡可能近的位置,要確保TVS 到地通路以及電容器管腳長度為較短,以減少寄生電感效應。

(五)保護電路中的寄生電感

       TVS 二極管通路中的寄生電感在發生ESD 事件時會產生嚴重的電壓過沖。盡管使用了TVS 二極管,由于在電感負載兩端的感應電壓VL=L×di/dt,過高的過沖電壓仍然可能超過被保護IC 的損壞電壓閾值。

       保護電路承受的總電壓是TVS 二極管鉗位電壓與寄生電感產生的電壓之和,VT=VC+VL。一個ESD 瞬態感應電流在小于1ns 的時間內就能達到峰值(依據IEC 61000-4-2 標準),假定引線電感為每英寸20nH,線長為四分之一英寸,過沖電壓將是50V/10A 的脈沖。經驗設計準則是將分流通路設計得盡可能短,以此減少寄生電感效應。

(六)裝配

       PCB 裝配時,不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內嵌墊圈的螺釘來實現PCB 與金屬機箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。在每一層的機箱地和電路地之間,要設置相同的“隔離區”;如果可能,保持間隔距離為0.64mm(0.025 英寸)。在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置,每隔100mm(4.0 英寸)沿機箱地線將機箱地和電路地用1.27mm 寬(0.050 英寸)的線連接在一起。與這些連接點的相鄰處,在機箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤或安裝孔。這些地線連接可以用刀片劃開,以保持開路;或用磁珠/高頻電容的跳接,以改變ESD 測試時的接地機制。

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