印刷线路板设计指南--防静电

1、本章將討論靜電放電引起的系統問題的硬體解決措施。為了便於對系統硬體解決進行討論，將系統上的靜電放電效應劃分成以下三個部分：1. 靜電放電之前靜電場的效應2. 放電產生的電荷注入效應3. 靜電放電電流產生的場效應儘管印刷線路板（PWB，通常也稱之為PCB）的設計會對上述三種效應都產生影響，但是主要是對第三種效應產生影響。下面的討論將針對第三條所述的問題給出設計指南。通常，源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減小（這些通用方法也會在其他討論場的章節中提到）：1. 在源端使用濾波器以衰減信號2. 在接收端使用濾波器以衰減信號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

2、合5. 將接收天線與發射天線垂直放置以減小耦合6. 在接收天線與發射天線之間加遮罩7. 減小發射及接收天線的阻抗來減小電場耦合8. 增加發射或接收天線之一的阻抗來減小磁場耦合9. 採用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB板所提供的）耦合信號，使它們保持共模方式 在具體設計中，如電場或磁場占主導地位，應用方法7和8就可以解決。然而，靜電放電一般同時產生電場和磁場，這說明方法7將改善電場的抗擾度，但同時會使磁場的抗擾度降低。方法8則與方法7帶來的效果相反。所以，方法7和8並不是完善的解決方案。不管是電場還是磁場，使用方法1 6與9都會取得一定的效果，但PCB設計的解決方法主要取決於方法3 6和9

3、的綜合使用。下面詳細闡述通過方法3 6和9解決問題的六條實踐法則及其原因所在。 一、保持環路面積最小 任意一個電路回路中有變化的磁通量穿過時，將會在環路內感應出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環路中通過的磁通量也較少，因此感應出的電流也較小，這就說明環路面積必須最小。應用這一經驗的困難之處是如何找到環路。每個人都知道圖16中所示的環路，但要正確識別圖17中所示的環路則比較困難。 圖16 簡單的PCB回路 圖17 電源線與地線構成的PCB回路 與其試著去找出所有可能的環路，還不如採取下列步驟來減小環路面積：A、 電源線與地線應緊靠在一起以減小電源和地間的環路面積。圖18示例說明了電源線與地

4、線同積體電路連接的幾種不同方法。圖18 電源與地形成的環路面積的減小B、多條電源及地線應連接成網格狀。圖19和圖20說明了這一點：在這個典型的PCB設計中，PCB的一面布垂直線，而另一面則布水平線（此圖中僅畫出地線）。如圖19所示，這個典型的地線結構會使環路面積很大，可以在雙面板上添加一些連接線以減小環路面積，如圖20所示。網格構成的環路面積小得多，這將使感應電流很低，出現問題的可能性也較小。插在底板（或母板）圖19 典型的PCB地線結構 PCB上的PCB板，應該有多個地線和電源線節點，且在連接器長度方向上均勻佈置。這將有利於減小整個系統的環路面積。 圖20 地線網格上述步驟A和B既

5、可減小電源與地之間的環路面積，同時也可減小環路天線的效能，下面講的步驟C和D將降低天線及信號線的效率。 C、 並聯的導線必須緊緊地放在一起，最好僅使用一條粗導線。圖21表明了這一原則。這就是說，地平面不應有大的開口，因為這些開口如同平行導線一般，其作用等同於環路天線。 圖21 縮短平行路徑D、 信號線應與地線應緊挨著放在一起。在每根信號線的旁邊安排一條地線。不過，這也許會產生很多平行地線。為了避免這個問題，如前所述，可採用地平面或地線網格，而不採用單條地線。一個例子如圖22所示。在這裏，假設由於某種原因信號線不能移動。 圖22 信號線與地線緊挨著佈線可在與信號線相對的一面上佈置地線面，如圖23

6、所示。實際上，將空餘PCB部分填以地線面是個好辦法 。 圖23 信號線與地線或地平面的分層佈線 E、 特別敏感的器件之間的較長的電源線或信號線應每隔一定間隔與地線的位置對調一下。對調的含義是將一根導線從上移到下面，或從左邊移到右邊，另一根導線則做相反的調整。圖24表明了這種方法與減小環路面積 的等同效果：對調有關導線後，只有較小的環路存在。F、 在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因為在靜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路面積。然而，在靜電放電較高的頻率段，由於寄生電感的影響，即使 是高頻電容，其作用也很有限。 當然，電源線與地線彼此靠得越近

7、，濾波電容的效果就越不明顯。因為環路面積已經足夠小了。圖25和26說明了這種效果。即使在每個元件旁邊都安裝旁路電容圖25中的電路仍有很大的環路面積 圖26 安裝旁路電容器的大環路面積   佈置，使得環路面積大大減小。然而，即使將電源線與地線並列分佈，較長的導線仍會導致較大的環路面積。 二、使導線長度儘量短 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，較長的導線將有利於接收靜電放電脈衝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並饋入電路的能量較少。使導線盡可能短是一個比是環路面積儘量小更容易實現的措施。

8、因為它不象信號環路那樣不容易識別，環路面積的盡可能小不可能立即看到，而導線的長短則是很顯然的。有關設計步驟如下： a) 使所有元件緊靠在一起，PCB設計人員不應將元件過於分散而佔用更多的面積；b) 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連接器儘量靠得近些；c) 如有可能的話，從線路板的中心饋送電源或信號，而不要從線路板邊緣饋送，如圖27所示，中間的饋送信號使大多數元件的連線最短。當線路板為正方形時，這樣做的效果最明顯，當線路板狹長時，效果則不很明顯。但只要可能，還是應該儘量這樣做。前面提出的PCB設計規則主要針對靜電放電電流產生的場效應。但值得注

9、意的是，前面介紹的降低天線效率的方法，這也有助於防止共模雜訊轉化成會帶來更大麻煩的差模雜訊，這在本章開始列出的一般性方法的第9條中已提及過。之所以有這樣的效果，是因為前述的各種步驟都有助於減小各種PCB回路的阻抗差異。例如，規則一中的步驟D特別有用，因為這樣處理會使信號線與相關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雜訊在幅度上也很接近，產生的差模雜訊極小。另外，PCB設計也能採取措施減小由於靜電場和電荷注入所帶來的問題。下面講述的規則就與這個問題有關，你會發現有幾個規則與前述規則相同。 三、盡可能在PCB上使用完整的地線面（建議採用多層板） 前面已提到過，地線面有助於減小環路面

10、積，同時也降低了接收天線的效率。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，這有利於減小靜電場帶來的問題。PCB地線面也可作為其對面信號線的遮罩體（當然，地線面的開口越大，其遮罩效能就越低）。另外，如果發生放電，由於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。這樣將有利於對元件進行保護，因為在引起元件損壞前，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，應採取措施加以避免） 四、加強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兩種方式來實現，這在前面已經提到過。A、 使電源線與地線靠得很近，或採用多層PCB板。這將在電源線和地線間產生更多

11、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於靜電放電頻率較低和較高的場合）。電源線與地線間的耦合將有助於減小電荷注入問題。兩個物體之間由各個物體上電荷量的差異造成的電壓取決於兩者（V=Q/C）間的電容。如果X庫侖的電荷注入到電源線中，就會在電源線和地線間產生Y伏的電壓。如果電源線與地線間的電容增加一倍，X庫侖的電荷將僅僅產生Y/2伏的電壓。當然，這個較小的電壓造成損壞的可能性也相應減小。 五、隔離電子元件與靜電放電電荷源 在靜電放電效應的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過隔離來解決。對於PCB設計，這主要指將電子儀器與可能的電荷源隔離開，也與連接器埠或感應

12、電流趨於集中的信號線相隔離。可採取以下兩個步驟來進行隔離：A、 使電子元件與PCB走線遠離會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走線遠離會暴露在靜電放電中的任意一個金屬物體（包括螺釘、機架、連接器外殼等）。後一個要求小於下面的設計規則相關聯。 六、PCB上的機殼地線的阻抗要低，隔離要好 儘管PCB軌線上的阻焊層有利於隔離PCB走線，但阻焊層可能會導致插針孔發生電弧。 A、 隔離機殼地線的最好方法是使之遠離電子儀器。另外，如果機殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易於通過，就不會發生電弧。當然，如此迅速的電荷泄放會產生更強的場，但這比電荷通過電弧直

13、接注入到電路中好得多。B、 機殼地線的長度不能超過其寬度的四或五倍。比這個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使其阻抗大幅度增加。這個長寬比例意味著機殼地線必須很短才行，否則當地線增長時，其寬度要很寬。 設計規則的優先順序 至此，關於防止靜電放電危害的PCB設計技術的討論已告一段落。當然，有些時候，這些規則不能全部滿足。這時，必須有意識地對一些東西進行取捨。本章開始部分提出三類潛在的靜電放電危害可用於確定處理靜電放電問題的一般順序。通常是採用以下順序來進行考慮：1、 防止電荷注入到系統電路，因為這會造成損壞電路。2、 防止靜電放電電流產生的場帶來的問題。3、 防止靜電

14、場。所幸的是，這些規則的大部分都是相容的，在典型的PCB設計中，所有的問題都可以得到很好的解決。 PCB設計指南總結 對於靜電放電問題的解決方案，可按以下十二條規則來進行（按優先順序排列）：1、 PCB上的非絕緣機殼地線必須與其他走線相距至少2.2毫米。這適用於連接到機殼地上的所有物體，包括軌線；2、 機殼地線的長度不應超過其寬度的五倍；3、 使未絕緣的電路與操作人員可觸摸到的PCB區域或未接地的金屬物體相隔至少2釐米以上；4、 電源線與地線要麼並排平行地放在PCB的同一層上，要麼放在相鄰的兩層；5、 地平面和地線必須連成網格狀。在任意一個方向上，垂直地線與水準地線至少每隔6釐米連接一次。尤其是雙面PCB板，也就是說，PCB板的第一層可以布水準的地線，而第二層可布垂直的地線，必須至少每隔6釐米放置一個過孔以將兩者相連（當然，在小於6釐米的地方進行連接是更好的，地平面比地線網格要好一些）；6、 所有信號線必須在地線面邊緣或地線以內13毫米以上。地線既可以布在與信號線相同的層，也可布在與之緊挨著的層上。如果信號線的長度達到30釐米或其以上，則必須在其旁邊放置一根地線，在信號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於8釐米（這樣每片集成塊可能會有多個旁路電容相連）；8、 相互之間連線較多的元件要靠在一起；9、