Hur man förhindrar att ESD-ström flyter in i kretskortet i kretskortsdesign

Nyligen har vi utfört ESD-tester för elektroniska produkter. Utifrån testresultaten för olika produkter har vi funnit att ESD är ett mycket viktigt test: om kretskortsdesignen inte är bra kan införandet av statisk elektricitet orsaka produktkrascher eller till och med komponentskador. Tidigare märkte jag bara att ESD skadade komponenter, men jag förväntade mig inte att vi också skulle vara tillräckligt uppmärksamma på elektroniska produkter.

ESD, även känt som elektrostatisk urladdning. Enligt den kunskap som läggs fram är statisk elektricitet ett naturligt fenomen som vanligtvis genereras genom kontakt, friktion, induktion och andra metoder mellan elektriska apparater. Dess egenskaper är långvarig ackumulering, hög spänning (kan producera tusentals volt eller till och med tiotusentals volt statisk elektricitet), liten mängd elektricitet, liten ström och kort verkningstid. För elektroniska produkter, om ESD-designen inte är väl utförd, tenderar elektroniska och elektriska produkter att vara instabila eller till och med skadade. Det finns vanligtvis två metoder för ESD-urladdningstest: kontakturladdning och lufturladdning. Kontakturladdning är direkturladdning till den enhet som testas; lufturladdning, även känd som indirekt urladdning, orsakas av starkt magnetfält som kopplas till intilliggande strömslinga. Testspänningen för dessa två tester är i allmänhet 2KV-8KV och olika regioner har olika krav. Därför är det innan design nödvändigt att förstå den kretskortsmarknad som produkten riktar sig till. De två ovanstående situationerna är grundläggande tester för elektroniska produkter när människokroppen kommer i kontakt med elektroniska produkter och inte kan fungera på grund av elektrifiering av människokroppen eller andra skäl. 

Fuktighetssituationen är olika i olika delar av världen, men samtidigt, om luftfuktigheten i en region är annorlunda, kommer den genererade statiska elektriciteten också att vara annorlunda. Följande tabell visar insamlade data, från vilka vi kan se att statisk elektricitet ökar med minskande luftfuktighet. Detta förklarar också indirekt varför det uppstår stora gnistor från statisk elektricitet vid hårborttagning på vintern i norra Kina. Eftersom statisk elektricitet är så skadlig, hur ska vi skydda den? Vi tar vanligtvis tre steg när vi utformar elektrostatiskt skydd: förhindra att extern laddning flödar in i kretskortet och orsakar skador; förhindra att ett externt magnetfält skadar kretskortet; förhindra fara orsakad av elektrostatiskt fält.

I faktisk kretskortsdesign kommer vi att använda en eller flera av följande metoder för elektrostatiskt skydd: 

 1. Lavindiod för elektrostatiskt skydd :  Detta är också en vanlig metod som används i design. Den typiska metoden är att parallellkoppla en lavindiod till jord på viktiga signalledningar. Denna metod använder lavindiodens snabba respons och stabila klämförmåga, vilket kan förbruka ackumulerad hög spänning på kort tid för att skydda kretskortet. 

 2. Kretsskydd med högspänningskondensator :  I denna metod placeras keramiska kondensatorer med en hållspänning på minst 1,5 kV vanligtvis vid I/O-kontakter eller nyckelsignalpositioner och ledningarna hålls så korta som möjligt för att minska trådinduktansen. Om kondensatorer med låg hållspänning används kommer de att skada kondensatorerna och förlora skyddseffekten. 

 3. Använd ferritpärlor för kretsskydd :  Ferritpärlor kan dämpa ESD-ström och undertrycka strålning. När man står inför två problem är ferritpärlor ett bra val. 

 4. Gnistgapsmetod :  Denna metod kan ses i ett enda material. Den specifika metoden är att ett mikrostriplager bestående av kopparplåt består av triangulär kopparplåt vars spetsar är i linje med varandra. Ena änden av den triangulära kopparplåten ansluter signalledningen och den andra änden ansluter jord. När det finns statisk elektricitet kommer det att uppstå en spetsurladdning som förbrukar elektrisk energi. 

 5. Använd LC-filter för att skydda kretsen :  LC-filtret kan effektivt minska högfrekvent statisk elektricitet som kommer in i kretsen. Induktansreaktansen kan förhindra högfrekvent ESD från att komma in i kretsen, medan kondensatorn shuntar högfrekvent energi från ESD till jord. Samtidigt kan denna typ av filter jämna ut signalkanten och ytterligare förbättra prestandan vad gäller signalintegritet. 

 6. ESD-skydd för flerskiktskort :  Att välja ett flerskiktskort är också ett effektivt sätt att förhindra ESD när pengarna tillåter. I flerskiktskort kan ESD kopplas snabbare till lågimpedans-planet, eftersom det finns kompletta jordplan nära ledningarna, vilket skyddar viktiga signaler. 

 7. Fixeringsmetod för skyddstejp runt kretskortets ledningskretskort :  Denna metod används vanligtvis för att dra kablar utan montering och lödning runt kretskortet. Om förhållandena tillåter, anslut kablarna till skalet. Var samtidigt uppmärksam på att inte bilda en sluten slinga för att inte bilda en ringantenn som orsakar ytterligare problem. 

 8. Kretsskydd med CMOS-enheter eller TTL-enheter med klämdioder :  Denna metod använder isoleringsprincipen för att skydda kretskortet. Eftersom dessa enheter har klämdiodskydd minskar det komplexiteten i designen i den faktiska kretsdesignen. 

 9. Använd ofta avkopplingskondensatorer :  Dessa avkopplingskondensatorer bör ha låga ESL- och ESR-värden. För lågfrekventa ESD-avkopplingskondensatorer, minska slingans area.