布置在PCB板边缘的敏感线为何容易ESD干扰

[现象描述]

某接地台式产品，对接地端子处进行测试电压为6KV的ESD接触放电测试时，系统出现复位现象。测试中尝试将接地端子与内部数字工作地相连的 Y电容断开，测试结果并未明显改善。

[原因分析]

ESD干扰进入产品内部电路，形式多种多样。对于本案例中的被测产品来说，其测试点为接地点，大部分的ESD干扰能量将从接地线流走， 也就是说ESD电流并没有直接流入该产品的内部电路，但是，处在IEC61000-4-2标准规定的ESD测试环境中的这个台式设备，其接地线长度在1m左右，该接地线将产生较大的接地引线电感（可以用1u H/m来估算），在静电放电干扰发生时（即图1中开关K闭合时），高的频率（下于1ns的上升沿）静电放电电流并不能使该被测产品接地点上的电压为零（即图1 中G点的电压在K闭合时并不为零）。这个在接地端子上不为零电压将会进一步进入产品内部电路。图1已经给出了ESD干扰进入产品内部PCB的原理图。

图 1  ESD干扰进入产品内部PCB的原理图

从图1中还可以看出，C_P1:（放电点与GND之间的寄生电容），C_p2：（PCB板与参考接地板之间的寄生电容），PCB板的工作地（GND）和静电放电枪（包括静电放电枪接地线）一起形成了一条干扰通路，干扰电流为I_CM。在这条干扰路径中，PCB板处在其中，显然PCB在此时受到了静电放电的干扰。如果该产品还存在其它电缆，这种干扰讲更为严重。
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干扰是如何导致被测产品复位的呢，经过仔细检查被测产品的PCB之后发现，该PCB板中CPU的复位控制线布置在PCB板的边缘，并且在GND平面之外，如图2所示。再来解释一下为何布置在PCB边缘的印制线比较容易受到干扰，那应该从PCB板中的印制线与参考接地板之间的寄生电容谈起。印制线与参考接地板之间存在寄生电容，这个寄生电容将使PCB板中的印制信号线受到干扰，共模干扰电压干扰PCB中印制线原理图如图3所示。从图3可以看出，当共模干扰（相对与参考接地板的共模干扰电压）进入GND后，会在PCB板中的印制线和GND之间产生一个干扰电压，这个干扰电压不但与印制线与PCB板GND之间的阻抗（图3中的Z）有关还有PCB中印制线与参考接地板之间的寄生电容有关。假设印制线与PCB板GND之间的阻抗Z不变，则,当印制线与参考接地板之间的寄生电容越大时，在印制线与PCB板GND之间的干扰电压Vi越大，这个电压与PCB中的正常工作电压相叠加，将直接影响PCB中的工作电路。

图2被测产品局部PCB布线实图

图3 共模干扰电压干扰PCB中印制线原理图

由印制线与参考接地板之间的寄生电容计算公式1 可知，印制线与参考接地板之间的寄生电容大小取决于印制线与参考接地板之间的距离(即公式1中的H)和印制线与参考接地板之间形成电场的等效面积(即公式1中的S)。

Cp ≈ 0.1 x S / H                    （1）

Cp : 寄生电容 [pF]

S : 印制线等效面积 [cm2]

H : 高度 [cm]

当印制线布置在PCB板边缘时，该印制线与参考接地板之间将形成相对较大寄生电容，因为布置在PCB内部的印制线与参考接地板之间形成的电场被其它印制线所“挤压”，而布置在边缘的印制线与参考接地板之间形成的电场且相对比较发散。图4为印制线与参考接地板之间电场分布示意图。

图4 印制线与参考接地板之间电场分布示意图

显然，对于本案例中的电路设计，由于PCB中的复位信号线布置在PCB板的边缘并且已经落在GND平面之外，因此复位信号线会受到较大的干扰，导致ESD测试时，系统出现复位现象。

【处理措施】

根据以上的原理分析，很容易得出以下两种处理措施：

1、            重新进行PCB布线，将复位信号印制线在PCB上左移，使其在GND平面覆盖的区域内，而且远离PCB板边缘，同时为了进一步降低复位信号印制线与参考接地板时间的寄生电容，可以在复位信号印制线所在的层（本案例为4层板，复位信号线布置在表层）上空余的地方铺上GND铜箔（通过大量过孔与相邻GND平面相连），如图5所示。

图5 修改后的复位信号线布置PCB实图