Jak zapobiegać przepływowi prądu ESD do płytki PCB podczas projektowania PCB

Ostatnio przeprowadzaliśmy testy ESD dla produktów elektronicznych. Z wyników testów różnych produktów wynika, że ​​ESD jest bardzo ważnym testem: jeśli projekt płytki drukowanej jest nieodpowiedni, wprowadzenie elektryczności statycznej może spowodować awarię produktu, a nawet uszkodzenie podzespołów. Wcześniej zauważyłem tylko, że ESD może uszkodzić podzespoły, ale nie spodziewałem się, że będziemy poświęcać tyle uwagi również produktom elektronicznym.

ESD, znane również jako wyładowanie elektrostatyczne. Zgodnie z wiedzą, elektryczność statyczna jest zjawiskiem naturalnym, zazwyczaj generowanym przez kontakt, tarcie, indukcję i inne metody między urządzeniami elektrycznymi. Jej cechy charakterystyczne to długotrwała akumulacja, wysokie napięcie (mogące generować tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy woltów elektryczności statycznej), niewielka ilość prądu, mały prąd i krótki czas działania. W przypadku produktów elektronicznych, jeśli projekt ESD nie zostanie dobrze zaprojektowany, produkty elektroniczne i elektryczne mają tendencję do niestabilności, a nawet uszkodzenia. Istnieją zazwyczaj dwie metody badania wyładowań ESD: wyładowanie kontaktowe i wyładowanie w powietrzu. Wyładowanie kontaktowe to bezpośrednie wyładowanie do badanego urządzenia; wyładowanie w powietrzu, znane również jako wyładowanie pośrednie, jest spowodowane silnym polem magnetycznym sprzężonym z sąsiednią pętlą prądową. Napięcie testowe tych dwóch testów wynosi zazwyczaj 2–8 kV, a różne regiony mają różne wymagania. Dlatego przed projektowaniem konieczne jest zrozumienie rynku PCB, do którego skierowany jest produkt. Powyższe dwie sytuacje stanowią podstawowe testy produktów elektronicznych, w których ludzkie ciało styka się z produktami elektronicznymi i nie może działać z powodu elektryzowania się ciała lub z innych przyczyn. 

Sytuacja wilgotnościowa w różnych częściach świata jest różna, ale jednocześnie, jeśli wilgotność powietrza w danym regionie jest inna, generowana elektryczność statyczna również będzie inna. Poniższa tabela przedstawia zebrane dane, z których wynika, że ​​elektryczność statyczna rośnie wraz ze spadkiem wilgotności powietrza. To również pośrednio wyjaśnia, dlaczego podczas depilacji zimą w północnych Chinach występują silne iskry spowodowane elektrycznością statyczną. Skoro elektryczność statyczna jest tak szkodliwa, jak powinniśmy się przed nią chronić? Zazwyczaj podczas projektowania ochrony przed elektrostatycznością stosujemy trzy kroki: zapobiegamy przedostawaniu się ładunków zewnętrznych do płytki drukowanej, powodując ich uszkodzenia; zapobiegamy uszkodzeniu płytki drukowanej przez zewnętrzne pole magnetyczne; zapobiegamy zagrożeniom powodowanym przez pole elektrostatyczne.

W rzeczywistym projektowaniu obwodów PCB będziemy stosować jedną lub więcej z następujących metod ochrony elektrostatycznej: 

 1. Dioda lawinowa do ochrony elektrostatycznej :  Jest to również powszechnie stosowana metoda projektowania. Typowa metoda polega na równoległym podłączeniu diody lawinowej do masy na kluczowych liniach sygnałowych. Metoda ta wykorzystuje szybką reakcję diody lawinowej i jej stabilne zabezpieczenie, które pozwala na rozładowanie zgromadzonego wysokiego napięcia w krótkim czasie, chroniąc płytkę drukowaną. 

 2. Zabezpieczenie obwodu za pomocą kondensatora wysokonapięciowego :  W tym podejściu kondensatory ceramiczne o napięciu wytrzymywanym co najmniej 1,5 kV są zazwyczaj umieszczane na złączach I/O lub w kluczowych pozycjach sygnałowych, a przewody są utrzymywane tak krótko, jak to możliwe, aby zmniejszyć ich indukcyjność. Zastosowanie kondensatorów o niskim napięciu wytrzymywanym spowoduje ich uszkodzenie i utratę efektu ochronnego. 

 3. Użyj koralików ferrytowych do ochrony obwodów :  koraliki ferrytowe mogą tłumić prąd ESD i tłumić promieniowanie. W przypadku dwóch problemów koraliki ferrytowe są dobrym wyborem. 

 4. Metoda iskiernika :  Metodę tę można zastosować w materiale jednoczęściowym. W tej metodzie warstwa mikropaskowa z blachy miedzianej składa się z trójkątnych blach miedzianych, których końce są ze sobą wyrównane. Jeden koniec trójkątnej blachy miedzianej łączy linię sygnałową, a drugi koniec łączy się z masą. W przypadku elektryczności statycznej następuje wyładowanie na końcówce, zużywające energię elektryczną. 

 5. Użyj filtra LC do ochrony obwodu :  Filtr LC może skutecznie redukować ładunek elektrostatyczny o wysokiej częstotliwości przedostający się do obwodu. Reaktancja indukcyjna skutecznie zapobiega przedostawaniu się ładunków elektrostatycznych o wysokiej częstotliwości do obwodu, a kondensator odprowadza energię ESD o wysokiej częstotliwości do uziemienia. Jednocześnie ten rodzaj filtra wygładza krawędzie sygnału, redukując wpływ częstotliwości radiowych i poprawiając integralność sygnału. 

 6. Ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi na płytkach PCB wielowarstwowych :  Wybór płytek wielowarstwowych jest również skutecznym sposobem zapobiegania wyładowaniom elektrostatycznym, o ile pozwalają na to fundusze. W płytkach wielowarstwowych, ze względu na kompletne płaszczyzny uziemienia w pobliżu okablowania, wyładowania elektrostatyczne mogą szybciej sprzęgać się z płaszczyzną o niskiej impedancji, chroniąc w ten sposób kluczowe sygnały. 

 7. Metoda mocowania taśmy ochronnej wokół płytki PCB :  Ta metoda jest zwykle stosowana do prowadzenia okablowania bez montażu i warstwy lutowniczej wokół płytki drukowanej. Jeżeli warunki na to pozwalają, podłącz okablowanie do obudowy. Jednocześnie należy uważać, aby nie utworzyć zamkniętej pętli, aby nie utworzyć anteny pierścieniowej, która może powodować dodatkowe problemy. 

 8. Ochrona obwodów za pomocą układów CMOS lub układów TTL z diodami zaciskowymi :  Ta metoda wykorzystuje zasadę izolacji do ochrony płytki drukowanej. Ponieważ te układy mają zabezpieczenie w postaci diod zaciskowych, zmniejsza to złożoność projektu w rzeczywistym projekcie obwodu. 

 9. Często stosuj kondensatory odsprzęgające :  Te kondensatory odsprzęgające powinny mieć niskie wartości ESL i ESR. W przypadku niskiej częstotliwości kondensatorów odsprzęgających ESD należy zmniejszyć obszar pętli.