杜佐兵
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电路板PCB中保护边带的设计实施与案例

如图所示,这样的电路板在信息类产品中还经常碰到,在这里我将这种通常的电路板PCB进行保护铜边带及保护线的设计分享给大家。

注意:PCB铜保护边带和保护线条有所不同。保护边带用在边沿或者是用在塑料包装里面,这是用来降低ESD对PCB的危害。在操作时,PCB印制板可能会获得静电电荷,静电电荷会通过辐射或传导的两种机制传送到PCB板的走线或元器件上。当静电放电发生对保护边带放电时,可能会产生系统级的故障。

为了防止ESD经辐射或传导耦合直接对元件产生的影响,而不是经外部I/O电缆和连接器间接产生的影响,可以在整个PCB的四周,包括元件层(顶层)和电路层(底层)设置一个3.2mm的保护边带。保护边带到元件或走线最小要有5mm的距离。这样的间距确保在保护边带和电路间电压击穿时,两者之间不会发生ESD电流电弧放电。其通常的保护保护边带设计如下图所示。

如图所示,对于静电放电的保护边带的设计图中,在顶层边带和底层边带沿整个周边每隔一段距离(比如13mm根据板的大小)都要用过孔及线连接起来。过孔及连线确保两个边带相互牢固搭接在一起。坚实且牢固的搭接可以使最大量的ESD能量在两个边带之间取最低阻抗的路径传输。

采用铜保护边带设计时,保护边带上不能采用焊接蒙片或者保护型涂层。保护型涂层就在放电能源和保护边带间形成了一层绝缘屏障。根据介电常数和涂层厚度的不同,ESD能量可能沿着另外一条较低阻抗的路径入地,这是不希望看到的。这个替代的低阻抗路径可能会产生辐射场或传导场,会导致对元件或系统产生不利的结果。

这时有一个重要的问题是要不要把保护边带与地平面的连接?是否需要地平面的设计?

1)保护边带与地平面连接。如果PCB是安装在一个金属机壳里并且采用多点接地连接到金属机架上,这时保护边带就要连接到地平面上。金属机架还必须连接到三线的地上,即保护地PE。

在PCB和机架之间的地必须以低阻抗的方式可靠地搭接。应用中保护边带和地平面连接的目的是让ESD能量沿着一条非常低的阻抗路径到达具有地电位的金属外壳。

如果有一个低阻抗的搭接,地平面将不会产生与ESD同步的地噪声(地弹电压)。地平面的噪声电压能导致数字器件出现故障。ESD能量必须排除在系统外。

2)保护边带与地平面不连接。如果PCB是被放置在一个塑料外壳中,或者只是在电源输入端单点连接到机架地上,这时下面的情况,就不建议保护边带与地连接。

A.如果保护边带与地平面连接,地平面产生高能量的地反弹,能量无处释放而导致器件被损坏。

B.如果PCB单点接到电源输入连接器的地上,全部的ESD电流,将以直线的路径,由保护边带上的进入点直接抵达低阻抗的接地点。该能量比较大,能造成该路径上的几乎所有的部件带来噪声电流。

C.为了避免ESD进入PCB,塑料外壳必须设计成能够防止不希望的能量穿透进去。注意:能量等级较高时,静电放电能量穿透几乎可以在距离较近的地方发生,比如按键、开关、旋钮、外壳的结合部位等。

注意:还有一种情况如上图所示的正确设计,保护边带不能连成封闭的环-100%的地围绕板的四边,因为可能会产生严重的问题。保护边带如果是封闭的环路,对外界电磁环境来说就相当于一个磁场环路天线。

存在这个环形天线就容许在一定的频率及其谐波点和全部频谱相应的波长点都会出现辐射发射和抗扰度两个方面的问题。

如果将保护边带分成几个部分,性能将得到改善。之所以能得到改善是因为在各分段之间增加了比如(0.5~5mm)的空气间隙。一般手指、手或者其它操作设备的宽度都比空气缝隙大得多。因此,能量会必然地接触空气缝隙的两边,这样就达到了设计的要求。

如果在PCB上的电路部分有分区格的护沟设计,保护边带就需要在护沟处截断,截断的保护边带就不会降低EMI或ESD的性能了。

注意:如果保护边带的截断处的宽度小于0.5mm,在两个边带间可能会产生寄生电容。寄生电容使RF能量搭桥跨过缝隙。此时,由于环路天线的存在,就会引起EMI和ESD有关的电路敏感性问题。

因此,对于复杂的电路板控制系统,产品的可靠性方面设计及应用是与系统的结构设计存在很大的关联,设计应用需要根据产品的功能方案原理图,PCB设计,金属结构这三个要素进行风险评估的。

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