So verhindern Sie, dass beim PCB-Design ESD-Strom in die PCB fließt

Wir führen seit Kurzem ESD-Tests für elektronische Produkte durch. Die Testergebnisse verschiedener Produkte zeigen, dass ESD ein sehr wichtiger Test ist: Bei einem schlechten Leiterplattendesign kann statische Elektrizität zu Produktabstürzen oder sogar zu Bauteilschäden führen. Früher war mir nur aufgefallen, dass ESD Bauteile beschädigt, aber ich hätte nicht erwartet, dass wir auch elektronischen Produkten so viel Aufmerksamkeit schenken sollten.

ESD, auch als elektrostatische Entladung bekannt. Statische Elektrizität ist ein natürliches Phänomen, das normalerweise durch Kontakt, Reibung, Induktion und andere Methoden zwischen elektrischen Geräten erzeugt wird. Charakteristisch für sie sind langfristige Akkumulation, hohe Spannung (es können Tausende oder sogar Zehntausende Volt statische Elektrizität entstehen), geringe Elektrizitätsmenge, geringer Strom und kurze Wirkdauer. Bei elektronischen Produkten kann es bei mangelhaftem ESD-Design zu Instabilität oder sogar Beschädigung kommen. Es gibt üblicherweise zwei Methoden für ESD-Entladungstests: Kontaktentladung und Luftentladung. Kontaktentladung ist eine direkte Entladung am zu testenden Gerät; Luftentladung, auch als indirekte Entladung bekannt, wird durch eine starke Magnetfeldkopplung an eine benachbarte Stromschleife verursacht. Die Prüfspannung dieser beiden Tests liegt im Allgemeinen zwischen 2 und 8 kV, und verschiedene Regionen haben unterschiedliche Anforderungen. Vor dem Design ist es daher notwendig, den Zielmarkt für das Produkt zu verstehen. Die beiden oben genannten Situationen sind grundlegende Tests für elektronische Produkte, bei denen der menschliche Körper mit elektronischen Produkten in Kontakt kommt und diese aufgrund von Elektrifizierung des menschlichen Körpers oder aus anderen Gründen nicht funktionieren. 

Die Luftfeuchtigkeit ist in verschiedenen Teilen der Welt unterschiedlich, aber je nach Region ist auch die erzeugte statische Elektrizität unterschiedlich. Die folgende Tabelle zeigt die erfassten Daten. Aus ihnen geht hervor, dass die statische Elektrizität mit abnehmender Luftfeuchtigkeit zunimmt. Dies erklärt indirekt auch, warum es im Winter in Nordchina beim Haareschneiden zu starken Funkenbildung durch statische Elektrizität kommt. Wie können wir uns vor derart schädlicher statischer Elektrizität schützen? Beim Entwurf eines Schutzes gegen elektrostatische Aufladung befolgen wir üblicherweise drei Schritte: Wir verhindern, dass externe Ladung in die Leiterplatte fließt und diese beschädigt; wir verhindern, dass externe Magnetfelder die Leiterplatte beschädigen; und wir verhindern Gefahren durch elektrostatische Felder.

Beim tatsächlichen PCB-Schaltkreisdesign verwenden wir eine oder mehrere der folgenden Methoden zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung: 

 1. Avalanche-Diode zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung :  Auch diese Methode wird häufig im Design verwendet. Typischerweise wird eine Avalanche-Diode parallel zur Masse wichtiger Signalleitungen geschaltet. Diese Methode nutzt die schnelle Reaktion und die stabile Klemmfähigkeit der Avalanche-Diode, die die angesammelte Hochspannung in kurzer Zeit abbauen und so die Leiterplatte schützen kann. 

 2. Schaltungsschutz durch Hochspannungskondensatoren :  Bei diesem Ansatz werden Keramikkondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 1,5 kV üblicherweise an E/A-Anschlüssen oder wichtigen Signalpositionen platziert. Die Kabel werden so kurz wie möglich gehalten, um die Induktivität zu verringern. Die Verwendung von Kondensatoren mit niedriger Spannungsfestigkeit führt zu einer Beschädigung der Kondensatoren und zum Verlust der Schutzwirkung. 

 3. Verwenden Sie Ferritperlen zum Schutz der Schaltung :  Ferritperlen können den ESD-Strom dämpfen und die Strahlung unterdrücken. Bei zwei Problemen sind Ferritperlen eine gute Wahl. 

 4. Funkenstreckenmethode :  Diese Methode kann bei einteiligen Materialien angewendet werden. Die Mikrostreifenschicht aus Kupferblech besteht aus dreieckigen Kupferblechen, deren Spitzen zueinander ausgerichtet sind. Ein Ende des dreieckigen Kupferblechs ist mit der Signalleitung verbunden, das andere mit der Masse. Bei statischer Elektrizität kommt es zu einer Spitzenentladung, die elektrische Energie verbraucht. 

 5. Verwenden Sie einen LC-Filter zum Schutz der Schaltung :  Ein LC-Filter kann hochfrequente statische Elektrizität, die in die Schaltung gelangt, effektiv reduzieren. Induktive Reaktanz kann das Eindringen hochfrequenter elektrostatischer Entladungen (ESD) in die Schaltung verhindern, während Kondensatoren die hochfrequente Energie der elektrostatischen Entladung zur Erde ableiten. Gleichzeitig kann dieser Filtertyp die Signalflanken glätten, den Einfluss von Hochfrequenzen reduzieren und die Signalintegrität weiter verbessern. 

 6. ESD-Schutz mehrschichtiger Leiterplatten :  Die Wahl mehrschichtiger Leiterplatten ist, sofern die Mittel es zulassen, auch eine wirksame Methode zur Vermeidung elektrostatischer Entladungen. Da sich bei mehrschichtigen Leiterplatten in der Nähe der Verdrahtung vollständige Masseflächen befinden, kann sich elektrostatische Entladung schneller mit der Ebene mit niedriger Impedanz verbinden und so wichtige Signale schützen. 

 7. Befestigungsmethode für Schutzband um die Leiterplatte :  Diese Methode wird normalerweise verwendet, um die Verkabelung ohne Montage- und Lötschicht um die Leiterplatte zu ziehen. Wenn die Bedingungen es erlauben, verbinden Sie die Verkabelung mit dem Gehäuse. Achten Sie gleichzeitig darauf, keine geschlossene Schleife zu bilden, um keine Ringantenne zu bilden, die weitere Probleme verursacht 

 8. Schaltungsschutz durch CMOS-Geräte oder TTL-Geräte mit Klemmdioden :  Diese Methode nutzt das Isolationsprinzip zum Schutz der Leiterplatte. Da diese Geräte über Klemmdiodenschutz verfügen, reduziert sich die Komplexität des Designs im tatsächlichen Schaltungsdesign 

 9. Verwenden Sie häufig Entkopplungskondensatoren :  Diese Entkopplungskondensatoren sollten niedrige ESL- und ESR-Werte haben. Für ESD mit niedriger Frequenz reduzieren Entkopplungskondensatoren die Schleifenfläche.