静电,是智能硬件的第一杀手
ESD静电,对智能硬件、尤其是手持和穿戴设备有很大损伤。轻则造成设备死机重启,重则造成硬件芯片损毁。
人手能产生的静电高达6kV以上,而无防护的芯片最大只能承受2kV的静电。(你没看错,单位是千伏,比市电高多了!)
对于任何智能产品,硬件工程师都需要在原理图设计之初就考虑ESD静电防护,并在产品ID及后续的结构设计中重点关注。
静电防护,是每个硬件工程师和结构工程师都需要慎重考虑的!
原理图-接口电路
所有接口处预留ESD处理措施(预留串联电阻和并联TVS管,TVS尽量靠近connector)。例如按键、USB口、灯等。
原理图-电源部分
IC外围设计中,IC的供电脚的电容需要按照规格书中的要求去添加,尽量不要去尝试改变他们的数量和值。减小这些电容,会降低系统稳定性和抗干扰能力。
PCB-地平面
多层板电路,尽量保证有一层或一层以上完整的地平面,使静电能很好的泄放到主地上,尽量避免静电的无规则的扩散,一旦扩散开,处理起来就会很困难。
完整的地平面,非常有助于静电能量泄放
PCB-电源部分
电源部分的去耦电容非常重要,他不止能够提高抗ESD的能力,同时,好的去耦电容的摆放也能提高系统的稳定性。
CPU背面的去耦电容也能提高ESD防护能力
摆放原则为:尽量靠近IC芯片的电源管脚和就近的地管脚。条件允许的情况下可以在电源上串一颗过流能力满足最大功耗要求的磁珠,形成近似的RC滤波,对于电源纹波和ESD都有很好的效果,并且提升系统的稳定性。电源部分串磁珠并电容有助于提高静电防护
PCB-信号线
对于RESET、INT、KEY等信号线,对ESD比较敏感,这些线在布线的过程中,如果有条件,最好走带状线或者微带线的形式,上下左右包GND,并与其它信号线或者电源做到2W或者3W的隔离。(2-3倍线间距)
敏感信号利用GND隔离开
整机-各种接口
整机接口是静电泄放到主板的主要路径,首先,需要尽可能加大接口地线的过电流能力,对于电源接口,地线甚至需要6A以上的过电流才会对ESD有显著的效果。
在电源接口处,电源和地之间放置大功率TVS管也能显著改善ESD效果。
电源上接了2颗TVS
整机-金属接地方案
对于整机壳料中能够成为静电泄放路径的单元模块,都需要考虑接地处理(包括表面的金属配件)。对于小型电器,如果主板的ESD效果能够满足认证要求,可以将各单元模块的地直接接入主板的地上面。
红色部分是某智能音箱产品的ESD泄放路径设计图