如何在 PCB 设计阶段解决 ESD 问题？

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应在 PCB 设计初期解决 ESD 问题。约有三分之一的印刷电路板故障是由于静电放电造成的。静电放电会悄无声息地伤害或损坏部件。有时，静电放电会使物品过热或燃烧。

这种情况多发生在布局或间距不良时。开始时可能看不到 ESD 损坏。因此，未雨绸缪非常重要。使用良好的布局、牢固的接地和正确的保护部件。这些步骤有助于确保电子产品免受隐藏的 ESD 危险。

主要收获

当您 设计您的 PCB.这有助于防止隐性损坏并节省成本。使用足够的空间、特殊涂层和光滑的痕迹形状。这些都有助于阻止静电在零件之间跳跃。制作坚固的接地平面，并将所有金属零件连接到地面。

这样，静电就可以安全地离开电路。选择静电抑制部件，如 TVS 二极管 并将它们放在连接器附近。这样可以快速阻止电压尖峰。添加能发现错误并修复数据的智能固件。这有助于设备在发生 ESD 事件后继续工作。

了解 ESD 问题

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产生 ESD 的原因

当静电积聚并发生跳跃时，就会出现 ESD 问题。这可能以不同的方式发生。当你把东西摩擦在一起时，比如在地毯上行走，就会形成静电荷。干燥的空气会加剧这种情况。

空气干燥时，静电会在衣服、工具甚至印刷电路板上积聚。如果房间湿度低于 30%，静电放电风险就会增加。将空气湿度保持在 30% 和 70% 之间有助于阻止静电积聚。

其他常见原因包括

• 材料之间的摩擦（三电效应）
• 人的行为，如取下胶带或触摸部件
• 附近带电物体的感应
• 快速的气流将灰尘或小碎片吹向四周
• 触摸已经带电的东西

小贴士 您可以通过佩戴防静电腕带、使用防静电垫和保持工作区清洁潮湿来降低 ESD 风险。

电子设备中的静电放电损伤

静电放电（ESD）问题会对电子产品造成伤害，而你可能无法立即察觉。当静电击中敏感元件时，它可以击碎芯片内部的微小碎片。你可能会看到

• 栅极氧化物击穿
• 烧焦的金属线
• 短路或开路
• 表面划痕或裂纹
• 造成长期故障的污染

有些损坏发生得很快。设备停止工作，你就知道出了问题。有时，损坏是隐性的。设备一开始还能工作，但后来就坏了。这就是所谓的潜伏故障。即使是很小的静电放电事件也会使部件变得脆弱，因此可能无法长期使用。

您应该知道，ESD 问题会影响很多东西，比如智能手机和汽车。这些故障可能导致数据丢失、工作不正常或设备损坏。随着电子设备越来越小，它们对静电放电的敏感度也越来越高。

绝缘和隔离

间隙和爬电距离

在 PCB 线路和焊盘之间留出足够的空间，有助于阻止 ESD。这个空间称为间隙。间隙是指两点之间最短的空气间隙。间隙是指沿着电路板表面的最短路径。两者都是 间隙和爬电 有助于阻止 ESD 在部件之间移动。

为了更好地进行 ESD 保护，您应该

• 在高压和低压线路之间留出更多空间。
• 在静电放电可能进入的地方，如连接器或开放焊盘处，使用更大的间隙。
• 不要在迹线上使用尖角。静电放电会从尖角处跳出。
• 在印刷电路板上增加槽或凹槽，以延长爬电距离。

小贴士 请务必检查电路板的额定电压。如果电压较高，则需要更大的间隙和爬电空间。遵守所在领域的安全规则。

防护涂层

您可以将 保护涂层 这些涂层的作用就像屏蔽一样。这些涂层的作用就像屏蔽。它们能让静电远离敏感零件。保形涂料、灌封和不同的树脂各有其优点。

下面是一份有关常见防护材料的简单表格：

保护材料	用于 ESD 和 PCB 的关键特性	ESD 保护的优势和局限性
共形涂料	薄，有助于阻挡灰尘和水，耐介质性更好	易于检查和修复；类型不同
盆栽	填充箱体，抗击击和弧线能力强	墙体坚固，破损后难以修复
丙烯酸树脂 (AR)	阻电效果好，易于脱下	便宜；有点弯曲
环氧树脂 (ER)	坚固，耐化学品	非常坚固；弯曲度不大
硅树脂 (SR)	弯曲良好，防水防化学品	适合摇晃；防刮效果不佳
聚氨酯树脂 (UR)	具有很强的防化学品和防划痕能力	难以脱下；坚固的墙壁

当您使用丙烯酸或硅树脂等涂层时，就会形成一堵阻挡 ESD 场的墙。这样就能保证印刷电路板的安全，避免损坏、数据丢失和错误信号。涂层还有助于延长印刷电路板的使用寿命，即使在工厂或室外等恶劣环境中也是如此。要想获得最佳的 ESD 保护，在使用涂层的同时，还应采用良好的印刷电路板布局和 ESD 等级零件。将所有这些步骤结合使用，就能获得强大、持久的 ESD 安全性。

PCB 材料

接地和屏蔽

良好的接地和屏蔽可以在静电放电问题发生之前就将其扼杀在摇篮中。您可以使用这些方法使您的印刷电路板免受静电和噪音的影响。

地平面设计

稳固的接地平面是保护 PCB 的最佳方法之一。您应该使用覆盖整个电路板的专用接地层。这一层为静电提供了一个安全通道，让静电从零件上流走。

以下是使地平面良好工作的步骤：

1. 在多层印刷电路板中使用连续接地平面。这样可以降低噪音，阻止 ESD 扩散。
2. 将所有设备的地线直接连接至接地平面。这样可以避免接地回路，并保持较短的返回路径。
3. 用铜填满空隙并将其接地。这样就能防止这些区域像天线一样发挥作用。
4. 按以下顺序排列 PCB 层：信号、接地、电源、信号。这种设置可阻隔 ESD 和其他噪音。
5. 尽可能缩短回流路径和回路区域。短路径可降低 ESD 到达部件的几率。
6. 在长信号线旁边放置保护线。保护线有助于引导静电放电远离敏感信号。
7. 不要用大洞或许多通孔分割接地层。空隙会降低接地效果。

小贴士 在重要信号线周围铺设保护线时效果最佳。它们为 ESD 提供接地路径，保护信号。

您还应将任何外露的金属部件接地，如连接器或屏蔽罩。将这些部件接地后，静电荷就会安全地转移到大地或公共接地点。这样就能阻止 ESD 进入电路。接地的金属屏蔽可将 ESD 降低 80 分贝。这将使您的设备免受突然或隐蔽故障的影响。

屏蔽方法

屏蔽可以阻止 ESD 和其他不需要的信号进入印刷电路板。您可以使用金属盖、笼子或特殊材料制作屏蔽罩。

下面的表格显示了常见的屏蔽材料及其效果：

屏蔽材料	特点/效果
镀锡冷轧钢	最便宜；100 MHz 以下最佳；易于焊接
镀锡铜	200 MHz 以上最佳；易于焊接
镍银	普通；良好的屏蔽
不锈钢	适用于潮湿场所；防锈
镀锡磷青铜	共同选择
铝质	不常用于印刷电路板；难以焊接，散热效果不佳

您还可以使用不同的屏蔽技术：

屏蔽技术	说明/效果
完成 六面体金属外壳	在部件周围制作一个法拉第笼；使用金属盖和接地平面；从四面八方阻挡 ESD
固体地平面	必须具有连续性才能良好工作
避免开孔	更少的孔洞和缝隙意味着更好的屏蔽效果
两件式 PCB 屏蔽设计	可拆卸盖子、通风孔和衬垫有助于保护和冷却电路板
正确接地	始终将屏蔽接地，以获得最佳效果

应始终将屏蔽层接地。这将为静电提供一个安全的释放途径，并保证电路板的安全。如果您使用金属盒或金属盖，请将其连接至接地平面。尽量保持小孔和小缝。大的缝隙会让静电放电和噪音进入。

请注意： 良好的接地和屏蔽是相辅相成的。同时使用这两种方法，就能降低出现 ESD 问题的风险，并延长 PCB 的使用寿命。

ESD 抑制元件

组件选择

您可以通过为印刷电路板选择正确的抑制零件来解决 ESD 问题。TVS 二极管和多层变阻器 (MLV) 最常用。TVS 二极管的作用非常迅速，能在电压尖峰伤害部件之前将其阻止。电源线使用单向 TVS 二极管。双向信号线使用双向 TVS 二极管。MLV 可以吸收更多的能量，在恶劣或炎热的环境下也能很好地工作。但 MLV 比 TVS 二极管稍慢。如果电路板面临更高的电压或需要更多的 EMI 滤波，则可以选择 MLV。

在挑选防静电部件时，请检查这些事项：

1. 确保工作电压与电路电压相符。
2. 单向信号使用单向二极管，双向信号使用双向二极管。
3. 对于快速数据线，应选择低电容部件，以保持信号清晰。
4. 检查峰值脉冲电流额定值是否足够大，以应对最大浪涌。
5. 查看通道的大小和数量是否适合您的电路板。

小贴士 使用 TVS 二极管、MLV、气体放电管和保险丝的混合电路可提供更强的分层保护。

安置策略

您需要在正确的位置放置 ESD 抑制部件，以保护电路板。将 TVS 二极管或 MLV 尽可能靠近连接器、I/O 端口或任何可能进入 ESD 的地方。这样就能在浪涌到达芯片之前将其阻止。保持从 ESD 部分到接地平面的接地路径非常短。短路径可降低 ESD 事件中的电压峰值。

请遵循以下最佳步骤：

• 将受保护的部件集中在一起，以保持短路线。
• 将敏感部件放在电路板中间附近，远离边缘。
• 重要信号线不要沿 PCB 边缘铺设。
• 在受保护的集成电路附近使用高频旁路电容器，以减少电荷注入。
• 使布局中的环路区域变小，以降低 ESD 脉冲产生的电流。

如果能保护所有外部连接并保持布局紧凑，就能降低出现 ESD 问题的风险。及早规划并小心放置零件，会使电路板更加安全。

固件策略

在制作 PCB 时，需要考虑的不仅仅是硬件。固件也能帮助保护系统免受 ESD 问题的影响。良好的固件策略可以帮助设备在发生 ESD 事件后恢复。这样就能保证设备正常工作，不会出现大问题。

错误处理

固件中的智能错误处理可以发现并修复 ESD 问题。静电放电会导致故障、数据混乱或设备冻结。如果使用错误检测例程，系统就能及早发现这些问题。

• 使用校验和或 CRC 来查看数据是否被错误更改。
• 添加看门狗计时器。如果系统停止运行，这些计时器会重新启动系统。
• 观察重要信号和输入是否有奇怪的值。如果发现异常，请写下来或尝试修复。
• 对重要任务使用重试逻辑。如果任务失败，固件可以再试一次。

小贴士 始终记下 ESD 错误。这有助于你找到薄弱点，并在以后做出更好的设计。

系统恢复

静电放电后，您的系统可能需要快速恢复正常。您可以使用不同的方法进行修复，避免长时间停机。

1. 页面控制稳定器:在关机前检查并修复内存表。它能发现损坏的条目或将其标记为坏条目。这样，系统就能保存数据，不再无休止地重启。
2. 在线目录检索:固件可以在运行时检查和修复文件文件夹。它能修复损坏的文件夹并找到丢失的文件。您不必停止一切工作来进行大型修复。
3. 体积倾倒和重装:您可以定期备份存储。如果 ESD 导致数据丢失，可以从备份中重新加载文件。使用完整备份和小型备份可节省时间并保证数据安全。

通过使用这些恢复方法，您的设备可以在遭受静电放电后反弹。您可以保持系统稳定，保护重要数据。这让您的 PCB 设计 针对 ESD 问题的另一层防御。

您可以通过多种方法来远离 ESD 问题。这些方法包括接地、屏蔽、ESD 安全工具和电路级保护。如果及早计划，就能快速找到薄弱点。然后，您就可以从一开始就使用正确的修复方法。经常检查您的设计，改变步骤以阻止新的风险。

在每个印刷电路板项目中，始终将防静电放在首位。这不仅能帮助电路板更好地工作，还能防止故障发生，从而节省资金。

常见问题

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