實戰(zhàn)經(jīng)驗：PCB板的ESD保護(hù)電路設(shè)計
來自人體、環(huán)境甚至電子設(shè)備內(nèi)部的靜電對于精密的半導(dǎo)體芯片會造成各種損傷，例如：穿透元器件內(nèi)部薄的絕緣層；損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極；CMOS器件中的觸發(fā)器鎖死；短路反偏的PN結(jié);短路正向偏置的PN結(jié)；熔化有源器件內(nèi)部的焊接線或鋁線。為了消除靜電釋放(ESD)對電子設(shè)備的干擾和破壞,需要采取多種技術(shù)手段進(jìn)行防范。
在PCB板的設(shè)計當(dāng)中，可以通過分層、恰當(dāng)?shù)牟季植季€和安裝實現(xiàn)PCB的抗ESD設(shè)計。在設(shè)計過程中，通過預(yù)測可以將絕大多數(shù)設(shè)計修改僅限于增減元器件。通過調(diào)整PCB布局布線，能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。
幾種典型的通用ESD保護(hù)電路
分享個人的ESD保護(hù)9大措施最近在做電子產(chǎn)品的ESD測試，從不同的產(chǎn)品的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個ESD是一項很重要的測試：如果電路板設(shè)計的不好，當(dāng)引入靜電后，會引起產(chǎn)品的死機(jī)甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會損壞元器件，沒有想到，對于電子產(chǎn)品也要引起足夠的重視。
ESD，也就是我們常說的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學(xué)習(xí)過的知識中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生，其特點(diǎn)是長時間積聚、高電壓(可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的靜電)、低電量、小電流和作用時間短的特點(diǎn)。對于電子產(chǎn)品來說，如果ESD設(shè)計沒有設(shè)計好，常常造成電子電器產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至損壞。
在做ESD放電測試時通常采用兩種方法：接觸放電和空氣放電。接觸放電就是直接對待測設(shè)備進(jìn)行放電；空氣放電也稱為間接放電，是強(qiáng)磁場對鄰近電流環(huán)路耦合產(chǎn)生。這兩種測試的測試電壓一般為2KV-8KV，同地區(qū)要求不一樣，因此在設(shè)計之前，先要弄清楚產(chǎn)品針對的市場。
以上兩種情況是針對人體在接觸到電子產(chǎn)品時，因人體帶電或其他原因引起電子產(chǎn)品不能工作而進(jìn)行的基本測試。
全球各地的濕度情況不一樣，但是同時在一個地區(qū)，若空氣濕度不一樣，產(chǎn)生的靜電也不相同。通過搜集到數(shù)據(jù)從中可以看出靜電隨著空氣濕度的減小而變大。這也間接的說明北方的冬天，脫毛衣時產(chǎn)生的靜電火花很大的原因。“既然靜電這么大的危害，我們?nèi)绾芜M(jìn)行防護(hù)呢？我們在進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計時通常分三步走：防止外部電荷流入電路板而產(chǎn)生損壞；防止外部磁場對電路板產(chǎn)生損壞；防止靜電場產(chǎn)生的危害。
在實際電路設(shè)計中我們會采用以下幾種方法的一種或幾種來進(jìn)行靜電保護(hù)。
一、雪崩二極管來進(jìn)行靜電保護(hù)
這也是設(shè)計中經(jīng)常用到的一種方法，典型做法就是在關(guān)鍵信號線并聯(lián)一雪崩二極管到地。該法是利用雪崩二極管快速響應(yīng)并且具有穩(wěn)定鉗位的能力，可以在較短的時間內(nèi)消耗聚集的高電壓進(jìn)而保護(hù)電路板。
二、使用高壓電容進(jìn)行電路保護(hù)
該做法通常將耐壓至少為1.5KV的陶瓷電容放置在I/O連接器或者關(guān)鍵信號的位置，同時連接線盡可能的短，以便減小連接線的感抗。若采用了耐壓低的電容，會引起電容的損壞而失去保護(hù)的作用。
三、采用鐵氧磁珠進(jìn)行電路保護(hù)
鐵氧磁珠可以很好的衰減ESD電流，并且還能抑制輻射。當(dāng)面臨著兩方面問題時，一個鐵氧磁珠會時一個很不錯的選擇。
四、火花間隙法
這種方法是在一份材料中看到的，具體做法是在銅皮構(gòu)成的微帶線層使用尖端相互對準(zhǔn)的三角銅皮構(gòu)成，三角銅皮一端連接在信號線，另一個三角銅皮連接地。當(dāng)有靜電時會產(chǎn)生尖端放電進(jìn)而消耗電能。
五、采用LC濾波器的方法進(jìn)行保護(hù)電路
LC組成的濾波器可以有效的減小高頻靜電進(jìn)入電路。電感的感抗特性能很好的抑制高頻ESD進(jìn)入電路，而電容有分流了ESD的高頻能量到地。同時，該類型的濾波器還可以圓滑信號邊緣而較小RF效應(yīng)，性能方面在信號完整性方面又有了進(jìn)一步的提高。
六、多層板進(jìn)行ESD防護(hù)
當(dāng)資金允許的情況下，選擇多層板也是一種有效防止ESD的一種手段。在多層板中，由于有了一個完整的地平面靠近走線，這樣可以使ESD更加快捷的耦合到低阻抗平面上，進(jìn)而保護(hù)關(guān)鍵信號的作用。
七、電路板外圍留保護(hù)帶的方法保護(hù)法
這種方法通常是在電路板周圍畫出不加組焊層的走線。在條件允許的情況下將該走線連接至外殼，同時要注意該走線不能構(gòu)成一個封閉的環(huán)，以免形成環(huán)形天線而引入更大的麻煩。
八、采用有鉗位二極管的CMOS器件
或者TTL器件進(jìn)行電路的保護(hù)這種方法是利用了隔離的原理進(jìn)行電路板的保護(hù)，由于這些器件有了鉗位二極管的保護(hù)，在實際電路設(shè)計中減小了設(shè)計的復(fù)雜度。
九、多采用去耦電容
這些去耦電容要有低的ESL和ESR數(shù)值，對于低頻的ESD來說，去耦電容減小了環(huán)路的面積，由于其ESL的作用使電解質(zhì)作用減弱，可以更好的濾除高頻能量。
總之，ESD雖然可怕，甚至?xí)韲?yán)重后果，但是，只有保護(hù)好電路上電源和信號線，那么就能有效的防止ESD的電流流入PCB中。其中，我老大經(jīng)常說的一句“一個板子的良好接地才是王道”，希望這句話也能給大家?guī)泶蚱铺齑暗男Ч?/p>
