Как предотвратить попадание тока электростатического разряда на печатную плату при проектировании печатной платы

В последнее время мы проводим испытания на электростатический разряд (ЭСР) для электронных изделий. Результаты испытаний различных изделий показали, что это очень важный тест: если печатная плата спроектирована ненадёжно, возникновение статического электричества может привести к поломке изделия или даже повреждению компонентов. Раньше я замечал, что ЭСР повреждает только компоненты, но не ожидал, что мы будем уделять столько же внимания и электронным изделиям.

Электростатический разряд (ЭСР), также известный как электростатический разряд. Согласно полученным знаниям, статическое электричество – это естественное явление, обычно возникающее при контакте, трении, индукции и других процессах между электроприборами. Его характеристики: длительное накопление, высокое напряжение (может создавать тысячи или даже десятки тысяч вольт статического электричества), небольшое количество электричества, небольшой ток и кратковременное действие. Неправильное проектирование защиты электронных изделий от ЭСР может привести к нестабильной работе или даже повреждению электронных и электрических устройств. Обычно существует два метода испытаний на разряд ЭСР: контактный разряд и воздушный разряд. Контактный разряд – это прямой разряд на испытываемое устройство; воздушный разряд, также известный как косвенный разряд, вызывается сильным магнитным полем, связанным с соседним токовым контуром. Испытательное напряжение в этих двух испытаниях обычно составляет от 2 до 8 кВ, и в разных регионах требования различаются. Поэтому перед проектированием необходимо понять рынок печатных плат, на который ориентирован продукт. Вышеуказанные две ситуации являются основными испытаниями для электронных изделий, когда человеческое тело контактирует с электронными изделиями и не может работать из-за электризации или других причин. 

Ситуация с влажностью в разных частях света различна, но в то же время, если влажность воздуха в регионе разная, генерируемое статическое электричество также будет разным. В следующей таблице представлены собранные данные, из которых мы можем видеть, что статическое электричество увеличивается с уменьшением влажности воздуха. Это также косвенно объясняет, почему при удалении волос зимой на севере Китая возникают большие искры от статического электричества. Поскольку статическое электричество наносит такой большой вред, как нам следует защищаться от него? Мы обычно предпринимаем три шага при проектировании электростатической защиты: предотвращаем внешний заряд от протекания в печатную плату, вызывая повреждение; предотвращаем повреждение печатной платы внешним магнитным полем; предотвращаем опасность, исходящую от электростатического поля.

При проектировании реальной печатной платы мы будем использовать один или несколько из следующих методов электростатической защиты: 

 1. Лавинный диод для защиты от электростатического разряда :  этот метод также широко используется в разработке. Обычно лавинный диод подключается параллельно земле на ключевых сигнальных линиях. Этот метод использует быстродействие и стабильную способность лавинного диода, что позволяет ему за короткое время отводить накопленное высокое напряжение, защищая печатную плату. 

 2. Защита цепи с помощью высоковольтного конденсатора :  в этом случае керамические конденсаторы с выдерживаемым напряжением не менее 1,5 кВ обычно устанавливаются на разъёмах ввода/вывода или в ключевых сигнальных точках, а провода делаются максимально короткими для снижения индуктивности. Использование конденсаторов с низким выдерживаемым напряжением приведёт к повреждению конденсаторов и потере защитного эффекта. 

 3. Используйте ферритовые кольца для защиты цепей :  ферритовые кольца могут ослаблять ток электростатического разряда и подавлять излучение. Ферритовые кольца являются хорошим выбором при наличии двух проблем. 

 4. Метод искрового разрядника :  этот метод применяется в цельном материале. Суть метода заключается в том, что микрополосковый слой, состоящий из медной пластины треугольной формы, концы которой совмещены. Один конец треугольной медной пластины подключается к сигнальной линии, а другой – к заземлению. При наличии статического электричества на концевой пластине возникает разряд, потребляющий электроэнергию. 

 5. Используйте LC-фильтр для защиты цепи :  LC-фильтр эффективно снижает высокочастотное статическое электричество, проникающее в цепь. Реактивное сопротивление индуктивности эффективно предотвращает проникновение высокочастотного электростатического разряда в цепь, а конденсатор отводит высокочастотную энергию электростатического разряда на землю. Кроме того, такой фильтр сглаживает фронт сигнала, уменьшая влияние радиочастот, что еще больше улучшает целостность сигнала. 

 6. Защита многослойной печатной платы от электростатического разряда :  выбор многослойной платы также является эффективным способом предотвращения электростатического разряда, если позволяют средства. В многослойных платах, поскольку рядом с проводкой имеются полные заземляющие плоскости, электростатический разряд может быстрее соединяться с плоскостью с низким импедансом, тем самым защищая ключевые сигналы. 

 7. Метод фиксации защитной ленты вокруг печатной платы :  этот метод обычно используется для прокладки проводов без монтажного и паяльного слоя вокруг печатной платы. Если позволяют условия, подключите проводку к корпусу. При этом следите за тем, чтобы не образовалась замкнутая петля, чтобы не образовалась кольцевая антенна, вызывающая дополнительные проблемы. 

 8. Защита схемы с использованием устройств КМОП или устройств ТТЛ с фиксирующими диодами :  этот метод использует принцип изоляции для защиты печатной платы. Поскольку эти устройства имеют защиту с помощью фиксирующих диодов, это снижает сложность проектирования реальной схемы. 

 9. Чаще используйте развязывающие конденсаторы :  эти развязывающие конденсаторы должны иметь низкие значения ESL и ESR. Для низкочастотных ESD развязывающие конденсаторы уменьшают площадь контура.