对于电路板设计中,需要考虑到静电放电(ESD)可能带来的影响。可以通过对于PCB上的接头保护、端口保护以及器件选择方面来提高系统抗ESD影响的能力。

 

01 静电放电与电路

 

在一些环境下,静电很容易积累并在放电的时候产生很大的电击。小时候,我们故意穿着袜子在地毯上来回走动,然后寻找机会去触碰别人引起别人电击惊吓。如果你是一位设计电路板的工程师这种现象则对于电路板并不友好。

 

被电击后惊讶之余,我们并不太担心,因为普通静电不会伤害到我们,但对于脆弱的电子线路则未必,它们往往在你没有觉察到的电压下就会领盒饭。因此你需要充分考虑到对所设计PCB进行静电保护方案。

 

下面是今年暑假期间太原工业学院队员在参加全国总决赛线上比赛时,将车模背后上粘贴的铝箔胶带费劲的纠撕下来,为的是能够显示车模背面没有安装干簧管、HALL器件等。

 

▲ 图1.1  太原工业学院

那么为什么他们在车模背面粘贴铝膜呢?吃饱了?这是因为他们想通过这种方法避免车模在PVC赛道上运行时所产生的静电对于控制电路带来的影响。

 

02 什么是ESD?

静电放电(Electrostatic  Discharge:ESD)是在两个带有不同电荷物体靠近时,如果它们之间电压差足够高,就会将它们之间间隙空气电离之后,产生电火花。对于普通的消费电子产品,产生空气放电需要在有超过 40kV/cm 的电场强度时才会发生。

 

空气温度、湿度、气压等都会对静电放电产生影响。比如在潮湿环境内,空气的导电性能增加,这会使得聚集在物体上的电荷被释放到周围环境中,从而使得静电放电不容易产生。

 

 

这就奇观了,明明在夏天进行的智能车竞赛,为何很多队伍都在车模上增加防止静电的铝膜呢。估计这是他们在冬天制作的车模,尚未将原来粘贴的铝膜去除。

 

通常人们误以为静电放电必须是在两点之间的电压大于某个固定值才会发生。实际上放电所需要的电压与两个导体之间的距离、导体的形状都有关系。IPC-2221标准[1] 对于不同情况下导体安全电压给予了规定。

 

人们熟悉的阴雨天气中闪电是发生在云层与地球之间的静电放电,此时云层与地球之间相当于形成了存储电荷的两个极板。相比于闪电,当你黑暗光线下抖动羊毛地毯时也能看到微弱的静电火花就显得稀松平常,但稍不注意它们会对PCB造成不可挽回的损失。

 

03 ESD如何影响PCB?

 

当人手持印刷电路板(PCB)靠近带有电荷物体,比如人体、包裹、电缆,或者其他可能汇聚大量电荷的物体,都可能产生静电放电。这些汇聚电荷在短时间内的释放会产生很大的电流脉冲,电流会在芯片内部,电路板中产生大量热量。极端情况下,脉冲电流会将芯片,电路板烧坏。

 

当电路直流通路的电阻很小的时候,电脉冲所产生的热量在短时间内只能通过红外辐射耗散。PCB中有静电放电常见到的区域,所以在考虑ESD保护时需要关注这些特殊的区域。

 

04 IC中静电放电

 

静电放电脉冲以及它引起的电流会在集成电路(IC)的芯片内产生热量并损坏器件。下面显示了电路中芯片静电放电以及在电路内芯中所引起烧蚀的情况。

 

▲ 图4.1 集成电路塑封材料在静电放电中引起的烧蚀情况(左)以及芯片内部线路损坏情况(右)

 

特别是现在的集成电路内部都是使用更佳密集的光刻线路,这使得它们承受静电放电能力更弱。有的在输入电压高于其工作电压(3.3V,或者更低的工作电压)时都会引起放电,其后果往往是灾难性的。上面图片右边所显示的就是静电放电所带来的损坏情况。

 

05 接头中静电放电

 

插头本身并不产生静电,但它们可能会聚集静电。当有人插接电缆或者按动按钮时则会引起静电对PCB的释放,从而对设备带来危险。特别是对于一些悬浮的接头就是潜在的静电事情产生之源,有时会在插接过程中能够看到放电过程。

 

▲ 图5.1 一些常用消费类或者工业电器金属外壳以及接头中的悬浮插针通常是静电放电起源

 

避免接头放电的最好办法就是将接插件中悬浮的插针进行接地。对于有屏蔽接插头也需要与外壳进行良好的连同。这些方法可以避免静电的聚集。

 

最好使用低阻抗的导线进行保护,不要使用电容进行保护。不要通过内部PCB与外壳之间形成静电放电回路。

 

在PCB设计中很多因素都会影响到静电放电的影响,比如线径宽度、布线、分层、电子器件摆放以及电路留白空间等。在设计的早期阶段就应该考虑放电保护,否则等出现问题你就会面临大动干戈的麻烦。

 

06 PCB中ESD保护

 

对于PCB的静电放电保护就是避免ESD电流流向你的电路,将它们通过低阻抗的通路对地进行释放。对于连接件的外壳接地中,应该远离内部PCB。

 

通常齐纳二极管会被常用在保护电路的IO口,齐纳二极管有时被称为电压波通抑制器件。下面电路显示了负载输入端口被齐纳二极管保护的情况。这些二极管 应该尽可能靠近静电放电源头。

 

▲ 图6.1 用于保护负载端口的齐纳二极管

 

其它用于静电放电保护的器件包括有气体放电真空管, TVS二极管,或者变阻器等。请注意,TVS二极管常用在重要界面保护中,它并不是一个简单的二极管,它内部的结构如下图所示:

 

▲ 图6.2 TVS二极管及其内部等效电路

 

在USB, 局域网,I2C,RS-485,RS-232以及其他数字接口中,通常使用TVS二极管来保护PCB内部集成电路免受 接口ESD的影响,如果接口还有金属外壳,所有悬浮接头都良好接地,静电放电保护效果会更好。

 

器件的使用手册会给出 ESD的防护等级,这需要与工业标准相匹配(比如车载级别、航空级别等)。当你所设计电路容易由ESD引起故障时,可以适当选择高等级的器件。

 

参考资料

[1] IPC-2221标准: https://resources.altium.com/p/using-an-ipc-2221-calculator-for-high-voltage-design