布置在PCB板邊緣的敏感線為何容易ESD干擾

[現象描述]

某接地臺式產品，對接地端子處進行測試電壓為6KV的ESD接觸放電測試時，系統出現復位現象。測試中嘗試將接地端子與內部數字工作地相連的 Y電容斷開，測試結果并未明顯改善。

[原因分析]

ESD干擾進入產品內部電路，形式多種多樣。對于本案例中的被測產品來說，其測試點為接地點，大部分的ESD干擾能量將從接地線流走， 也就是說ESD電流并沒有直接流入該產品的內部電路，但是，處在IEC61000-4-2標準規定的ESD測試環境中的這個臺式設備，其接地線長度在1m左右，該接地線將產生較大的接地引線電感（可以用1u H/m來估算），在靜電放電干擾發生時（即圖1中開關K閉合時），高的頻率（下于1ns的上升沿）靜電放電電流并不能使該被測產品接地點上的電壓為零（即圖1 中G點的電壓在K閉合時并不為零）。這個在接地端子上不為零電壓將會進一步進入產品內部電路。圖1已經給出了ESD干擾進入產品內部PCB的原理圖。

圖 1? ESD干擾進入產品內部PCB的原理圖

從圖1中還可以看出，C_P1:（放電點與GND之間的寄生電容），C_p2：（PCB板與參考接地板之間的寄生電容），PCB板的工作地（GND）和靜電放電槍（包括靜電放電槍接地線）一起形成了一條干擾通路，干擾電流為I_CM。在這條干擾路徑中，PCB板處在其中，顯然PCB在此時受到了靜電放電的干擾。如果該產品還存在其它電纜，這種干擾講更為嚴重。
（電磁干擾與兼容http://www.interferencetechnology.cn/）

干擾是如何導致被測產品復位的呢，經過仔細檢查被測產品的PCB之后發現，該PCB板中CPU的復位控制線布置在PCB板的邊緣，并且在GND平面之外，如圖2所示。再來解釋一下為何布置在PCB邊緣的印制線比較容易受到干擾，那應該從PCB板中的印制線與參考接地板之間的寄生電容談起。印制線與參考接地板之間存在寄生電容，這個寄生電容將使PCB板中的印制信號線受到干擾，共模干擾電壓干擾PCB中印制線原理圖如圖3所示。從圖3可以看出，當共模干擾（相對與參考接地板的共模干擾電壓）進入GND后，會在PCB板中的印制線和GND之間產生一個干擾電壓，這個干擾電壓不但與印制線與PCB板GND之間的阻抗（圖3中的Z）有關還有PCB中印制線與參考接地板之間的寄生電容有關。假設印制線與PCB板GND之間的阻抗Z不變，則,當印制線與參考接地板之間的寄生電容越大時，在印制線與PCB板GND之間的干擾電壓Vi越大，這個電壓與PCB中的正常工作電壓相疊加，將直接影響PCB中的工作電路。

圖2被測產品局部PCB布線實圖

圖3 共模干擾電壓干擾PCB中印制線原理圖

由印制線與參考接地板之間的寄生電容計算公式1 可知，印制線與參考接地板之間的寄生電容大小取決于印制線與參考接地板之間的距離(即公式1中的H)和印制線與參考接地板之間形成電場的等效面積(即公式1中的S)。

Cp ≈ 0.1 x S / H??????????????????? （1）

Cp : 寄生電容 [pF]

S : 印制線等效面積 [cm2]

H : 高度 [cm]

當印制線布置在PCB板邊緣時，該印制線與參考接地板之間將形成相對較大寄生電容，因為布置在PCB內部的印制線與參考接地板之間形成的電場被其它印制線所“擠壓”，而布置在邊緣的印制線與參考接地板之間形成的電場且相對比較發散。圖4為印制線與參考接地板之間電場分布示意圖。

圖4 印制線與參考接地板之間電場分布示意圖

顯然，對于本案例中的電路設計，由于PCB中的復位信號線布置在PCB板的邊緣并且已經落在GND平面之外，因此復位信號線會受到較大的干擾，導致ESD測試時，系統出現復位現象。

【處理措施】

根據以上的原理分析，很容易得出以下兩種處理措施：

1、??????????? 重新進行PCB布線，將復位信號印制線在PCB上左移，使其在GND平面覆蓋的區域內，而且遠離PCB板邊緣，同時為了進一步降低復位信號印制線與參考接地板時間的寄生電容，可以在復位信號印制線所在的層（本案例為4層板，復位信號線布置在表層）上空余的地方鋪上GND銅箔（通過大量過孔與相鄰GND平面相連），如圖5所示。

圖5 修改后的復位信號線布置PCB實圖