Jak zabránit toku ESD proudu do desky plošných spojů při návrhu desky plošných spojů

V poslední době provádíme testy ESD u elektronických výrobků. Z výsledků testů různých výrobků vyplývá, že tento test ESD je velmi důležitý: pokud není konstrukce desky plošných spojů dobrá, zavedení statické elektřiny způsobí havárii výrobku nebo dokonce poškození součástek. Dříve jsem si všímal pouze toho, že ESD poškozuje součástky, ale neočekával jsem, že bychom měli věnovat dostatečnou pozornost i elektronickým výrobkům.

ESD, také známý jako elektrostatický výboj. Podle získaných znalostí je statická elektřina přirozený jev, obvykle generovaný kontaktem, třením, indukcí a jinými metodami mezi elektrickými spotřebiči. Jeho charakteristikami jsou dlouhodobá akumulace, vysoké napětí (může produkovat tisíce voltů nebo dokonce desítky tisíc voltů statické elektřiny), malé množství elektřiny, malý proud a krátká doba působení. U elektronických výrobků, pokud není návrh ESD proveden správně, elektronické a elektrické výrobky mají tendenci být nestabilní nebo dokonce poškozené. Obvykle existují dvě metody pro testování ESD výboje: kontaktní výboj a výboj vzduchem. Kontaktní výboj je přímý výboj do testovaného zařízení; výboj vzduchem, také známý jako nepřímý výboj, je způsoben silnou vazbou magnetického pole na sousední proudovou smyčku. Zkušební napětí těchto dvou testů je obecně 2KV-8KV a různé regiony mají různé požadavky. Proto je před návrhem nutné pochopit trh s deskami plošných spojů, na který je produkt zaměřen. Výše ​​uvedené dvě situace jsou základními testy pro elektronické výrobky, kdy se lidské tělo dotýká elektronických výrobků a nemůže fungovat kvůli elektrizaci lidského těla nebo z jiných důvodů. 

Vlhkostní situace v různých částech světa se liší, ale zároveň, pokud se vlhkost vzduchu v dané oblasti liší, bude se lišit i generovaná statická elektřina. Následující tabulka ukazuje shromážděná data, ze kterých vidíme, že statická elektřina se zvyšuje s klesající vlhkostí vzduchu. To také nepřímo vysvětluje, proč dochází při odstraňování chloupků v zimě v severní Číně k velkým jiskrám ze statické elektřiny. Jak bychom se měli chránit, protože statická elektřina je tak škodlivá? Při navrhování elektrostatické ochrany obvykle podnikáme tři kroky: zabránit vniknutí vnějšího náboje do desky plošných spojů a způsobit jeho poškození; zabránit poškození desky plošných spojů vnějším magnetickým polem; zabránit nebezpečí způsobenému elektrostatickým polem.

V reálném návrhu obvodů plošných spojů použijeme jednu nebo více z následujících metod pro elektrostatickou ochranu: 

 1. Lavinová dioda pro elektrostatickou ochranu :  Toto je také běžná metoda používaná v konstrukci. Typickou metodou je paralelní zapojení lavinové diody k zemi na klíčových signálních vodičích. Tato metoda využívá rychlou odezvu lavinové diody a stabilní schopnost uzemnění, což umožňuje krátkodobě spotřebovat nahromaděné vysoké napětí a chránit desku plošných spojů. 

 2. Ochrana obvodu pomocí vysokonapěťového kondenzátoru :  V tomto přístupu se na I/O konektory nebo pozice klíčových signálů obvykle umisťují keramické kondenzátory s výdržným napětím alespoň 1,5 kV a vodiče se udržují co nejkratší, aby se snížila indukčnost vodičů. Pokud se použijí kondenzátory s nízkým výdržným napětím, poškodí se a ztratí se ochranný účinek. 

 3. Používejte feritové korálky k ochraně obvodu :  Feritové korálky mohou tlumit proud ESD a potlačit záření. Pokud se potýkají se dvěma problémy, jsou feritové korálky dobrou volbou. 

 4. Metoda jiskřiště :  Tuto metodu lze vidět na jednom kusu materiálu. Specifická metoda spočívá v tom, že vrstva mikropásků složená z trojúhelníkového měděného plechu, jehož konce jsou vzájemně zarovnány. Jeden konec trojúhelníkového měděného plechu je připojen k signálovému vodiči a druhý konec k zemi. Pokud je přítomna statická elektřina, dochází k výboji hrotu, který spotřebovává elektrickou energii. 

 5. Použijte LC filtr k ochraně obvodu :  LC filtr může účinně snížit vysokofrekvenční statickou elektřinu vstupující do obvodu. Indukční reaktance může dobře zabránit vstupu vysokofrekvenčního ESD do obvodu, zatímco kondenzátor odvádí vysokofrekvenční energii ESD do země. Zároveň tento typ filtru může vyhladit hranu signálu a snížit vliv rádiových frekvencí a dále zlepšit výkon z hlediska integrity signálu. 

 6. Ochrana vícevrstvých desek plošných spojů před elektrostatickým výbojem (ESD) :  Volba vícevrstvých desek je také účinným způsobem, jak zabránit elektrostatickému výboji (ESD), pokud to finanční prostředky dovolí. U vícevrstvých desek se díky kompletním zemnícím plochám v blízkosti kabeláže může ESD rychleji připojit k rovině s nízkou impedancí, čímž se chrání klíčové signály. 

 7. Metoda uchycení ochranné pásky kolem desky plošných spojů :  Tato metoda se obvykle používá k nalepení kabeláže bez montáže a pájení kolem desky plošných spojů. Pokud to podmínky dovolí, připojte kabeláž k plášti. Zároveň dbejte na to, aby se nevytvořila uzavřená smyčka, která by mohla způsobit další problémy s vytvořením kruhové antény. 

 8. Ochrana obvodu pomocí CMOS nebo TTL čipů s omezovacími diodami :  Tato metoda využívá princip izolace k ochraně desky plošných spojů. Protože tato zařízení mají ochranu omezovacími diodami, snižuje se složitost návrhu obvodu. 

 9. Časté používání oddělovacích kondenzátorů :  Tyto oddělovací kondenzátory by měly mít nízké hodnoty ESL a ESR. Pro nízkofrekvenční ESD oddělovací kondenzátory zmenšují plochu smyčky.