PCB に ESD 電流が流れないようにする方法

以下は、PCB 設計で ESD 電流が PCB に流れないようにする方法の紹介です。

最近では、電子製品のESD試験を行っています。さまざまな製品のテスト結果から、この ESD は非常に重要なテストであることがわかります。回路基板の設計が不適切な場合、静電気の導入によって製品がクラッシュしたり、コンポーネントが損傷したりする可能性があります。以前は、ESD がコンポーネントを損傷することだけに気づいていましたが、電子製品に十分な注意を払う必要があるとは思っていませんでした。

pcb board

ESD、静電放電とも呼ばれます。学んだ知識から、静電気は自然現象であり、通常、電気製品間の接触、摩擦、誘導などによって発生することがわかります。長期蓄積、高電圧 (数千ボルトまたは数万ボルトの静電気を発生させる可能性がある)、低電力、小電流、および短い動作時間が特徴です。電子製品の場合、ESD 設計が適切に設計されていない場合、電子および電気製品はしばしば不安定になったり、損傷したりすることさえあります。

ESD 放電試験には通常、接触放電と気中放電の 2 つの方法があります。接触放電は、テストする機器を直接放電することです。間接放電としても知られる気中放電は、強い磁場が隣接する電流ループに結合することによって引き起こされます。これら 2 つのテストのテスト電圧は一般に 2KV-8KV であり、要件は地域によって異なります。そのため、製品が対象とする基板市場を設計前に把握する必要があります。

上記の2つの条件は、人体の帯電または人体が電子製品に接触するその他の理由により動作しない電子製品の基本的なテストです。

湿度の状況は世界中で異なりますが、同時に、地域によって空気の湿度が異なれば、発生する静電気も異なります。次の表は、収集されたデータであり、空気の湿度が低下すると静電気が増加することがわかります。これはまた、北部で冬に脱毛中に発生する静電火花が非常に大きい理由を間接的に説明しています。

静電気は非常に有害ですが、どうすれば静電気を防ぐことができますか? 静電保護を設計する場合、通常 3 つの手順を実行します。外部電荷が回路基板に流れ込んで損傷を引き起こすのを防ぎます。外部磁場が回路基板を損傷するのを防ぎます。静電場による危険を防止します。

実際の PCB 回路設計では、次の方法の 1 つまたは複数を静電気保護のために使用します。

1. 静電気保護用のアバランシェダイオード。これもデザインでよく使われる方法です。典型的な方法は、アバランシェダイオードをキー信号ラインとグランドに並列に接続することです。

この方法は、アバランシェダイオードの高速応答と安定したクランプ能力を利用して、蓄積された高電圧を短時間で消費して回路基板を保護します。

2. 回路保護用に高電圧コンデンサを使用しています。

この場合、少なくとも 1.5KV の耐電圧を持つセラミックコンデンサは通常、I/O コネクタまたはキー信号の位置に配置され、接続線はできるだけ短くして接続線のインダクタンスを減らします。耐電圧の低いコンデンサを使用すると、コンデンサが破損し、保護が失われます。

3. 回路保護には酸化鉄磁気ビーズを使用しています。

酸化鉄磁気ビーズは、ESD 電流を減衰させ、放射を抑制することができます。 2 つの問題に直面した場合、フェライトビーズが適しています。

4.スパークギャップ法。

この方法は一枚の素材に見られます。具体的な方法としては、銅板で構成されるマイクロストリップライン層を、先端を揃えた三角形の銅板で構成する。三角形の銅板の一方の端は信号線に接続され、もう一方の端はグランドに接続されています。静電気が発生すると、チップ放電が発生し、電気エネルギーを消費します。

5.回路を保護するためにLCフィルターを採用。

LCフィルターは、回路に入る高周波静電気を効果的に低減できます。インダクタの誘導性リアクタンスは、高周波 ESD が回路に入るのを十分に防ぐことができますが、コンデンサは ESD の高周波エネルギーをグランドにシャントします。同時に、このタイプのフィルターは、RF の影響を抑えて信号のエッジを滑らかにすることができ、その性能は信号の完全性においてさらに改善されています。

6. ESD 保護のための多層 PCB ボード。

資金の許可を得て、多層基板を選択することもESDを防止する有効な手段です。多層基板では、配線の近くに完全なグランドプレーンがあるため、ESD はより迅速に低インピーダンスプレーンに結合され、主要な信号の役割が保護されます。

7. PCB 回路基板の周りに保護テープを保持する方法。

この方法は通常、アセンブリなしで配線を引き出し、回路基板の周りに層を溶接するために使用されます。条件が許せば、配線をハウジングに接続します。同時に、ループアンテナを形成することによるさらなるトラブルを避けるために、配線はクローズドループを形成できないことに注意してください。

8. クランプダイオードまたは TTL デバイスを備えた CMOS デバイスは、回路保護に使用されます。

この方法は、絶縁原理を使用して回路基板を保護します。これらのデバイスはクランプダイオードによって保護されているため、実際の回路設計では設計の複雑さが軽減されます。

9. デカップリングコンデンサがよく使用されます。

これらのデカップリングコンデンサは、ESL 値と ESR 値が低い必要があります。低周波 ESD の場合、デカップリングコンデンサはループの面積を減らします。その ESL の役割が電解質の役割を弱めているため、高周波エネルギーをより適切に除去することができます。

一言で言えば、ESD はひどいものですが、深刻な結果をもたらす可能性さえあります。ただし、回路上の電源ラインと信号ラインを保護するだけで、ESD 電流が PCB に流れ込むのを効果的に防ぐことができます。その中で上司からよく言われた「板の接地は王道」とのことですが、この言葉も天窓を割る効果をもたらしてくれるといいなと思っています。