PCB接地和金属板之间静电场耦合关系的研究文档格式.docx
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例如，ESD电流直接影响信号轨迹，破坏集成电路（称为硬破坏）；
ESD瞬变场是电场或磁场的耦合变化，或是直接场与集成电路的耦合。
这些常发生在电子设施的静电放电中。
本文讨论了通过耦合PCB走线和金属板导出ESD电流的软错误问题。
一旦ESD排放到系统外部，ESD电流就会分布在系统中。
它会与孔、电缆或者插槽等附件耦合成强电磁场，从而产生感应电压和电流。
这些电压和电流会引起位错误、错误指令，甚至系统崩溃[2]。
由于上述原因导致的ESD故障问题，在原图设计和ESD防护上有很大限制。
因此，为了解决数字器件的ESD防护问题，研究PSB接地底盘与接地填充是很有必要的。
本文的第二部分叙述了感应电压的测量装置和应用，第三和第四部分描述了PCB接地填充和底盘的连接后的影响。
Ⅱ、待测器件和实验装置
待测装置如图1所示。
一个3cm*3cm走线环布在板子的上层，两端都和下层通过引洞相连。
走线环和含有铁氧体的同轴电缆相连，同轴电缆和示波器相连。
同轴电缆的中间连有一个40dB的衰减器以防损坏示波器。
PCB的上面固定了一个铜质平板，可以通过8个螺丝钉控制与PCB的距离。
在这个实验装置中，PCB与底盘的距离是8mm。
其中一个导通孔连着示波器，另外一个连着一个50欧姆的电阻。
PCB的接地母线连着一个很好的接地平台，实验装置如图2所示。
ESD发生器分别在接触模式下设置为1Kv、2Kv、3Kv和卸下铜板的情况都做了测量。
图3示出了示波器所测得的感应电压。
测量装置良好，在接触模式下测得的电压接近于成线性快速变化。
在前7-8ns的噪声可能是由于示波器的电缆线造成的。
Ⅲ、接地填充
接地填充经常被用于PCB的顶层和底层以避免EMI辐射。
从防静电的角度来看，一个EMC工程师可能会认为接地填充会有很好的效果。
换句话说，接地填充可以更好地增强数字设备的防静电能力。
为了证明这一点，有没有接地填充的PCB都被设计出来并做了比较。
包括只有底部接地、顶部接地和百通孔接地。
接地填充和走线之间的距离是2cm。
感应电压的测量结果如图5所示。
ESD发生器设置为1kV，PCB用金属螺钉连接着金属板。
在这个测量的基础上，接地填充不能通过连接金属板降低ESD瞬变场。
另外，接地填充还轻微地增加了耦合场。
ESD发生器设定在不同的电压都有这种现象。
从这个结果可以推断，磁场是接地和走线之间耦合形成的。
这个推论必须要在以后的研究中加以证明。
当PCB不连接到金属板时，接地填充对ESD噪声耦合影响很小。
结果如图6所示。
Ⅳ、PCB与金属箱的连接
对于EMC工程师来说，PCB接地与金属板相连是利用屏蔽效果减少EMI辐射的常用设计。
但是，从ESD的角度分析就会有不同的见解。
PCB与金属板隔离可以避免火花发生以免损坏PCB。
尽管没有电流流入PCB，ESD发生器或电流快速传输产生的场也会诱发噪声。
这个实验证明了场噪声耦合是如何分别被PCB接地和金属板影响的。
如图7所示，塑料螺钉是专门用来隔离PCB和金属板的。
ESD发生器设置为1kV，测量过程和接地填充的测量是一样的，结果如图8所示。
比较两个波形不难得出，PCB接地与金属板连接时可以减少感应电压。
ESD脉冲排放到金属板时，PCB和金属板的电势相等，从而避免了电场和走线耦合。
因为电场和磁场对噪声耦合都很明显，所以隔离PCB接地和金属板对减少ESD场噪声影响很小。
Ⅴ、全波模拟论证
为了使走线的耦合频率达到3GHz，需要一个全波数字模型的ESD发生器。
为了ESD预测，各种不同的全波模型在不同的EDA公司都已经发行。
本文用的是最近设计的CST微波传送带改良的模型[3]。
全波模型的ESD发生器和测试工具如图9所示。
这个模型包含了大约25万网格，运行速度高达3GHz，用一个64位双核CPU的个人电脑花了进一个小时才完成模拟。
接地填充的模拟效果如图10所示。
测量不同的是，模拟结果显示接地填充只是略微减少ESD瞬变场和金属板的耦合。
这种差异可能是来自于模拟测量设施或测量误差。
然而，金属板与PCB隔离的测量结果是一样的。
也就是说，接地填充对于ESD噪声耦合来说影响很小，如图11所示。
Ⅵ、测量和模拟
本部分对模拟和测量的波形进行了对比，并分析了全波有效模型。
PCB与金属壳隔离的情况下，两者的峰值电压几乎一样（如图12）。
连接时测量的峰间值比模拟的更大（如图13）。
Ⅶ、结论
这个实验装置可以用于测量以不同方式导出ESD电流到金属板外时PCB上走线的ESD感应电压。
到目前为止，隔离PCB和金属板以及接地填充的效果已经已经在时域峰值方面对比了测量数据。
从数据来看，EMC设计者可以使PCB与金属板连接起来，以便当ESD发生时，可以起到静电防护的作用。
接地填充对于静电防护没有明显的作用，它的作用如何取决于接地填充与走线的距离，这方面还需要进一步研究。
测量和模拟的结果并不是完全一致的，但这对改善全波模型和完全一样的测量装置是一种挑战。
理论基础和更好地认同模拟和测量结果还需要进一步研究。
参考文献
[1]IEC61000-4-2,Electromagneticcompatibility（EMC）Part4:
“Testingandmeasurementtechniques-Section2:
electrostaticdischargeimmunitytest,”1995.
[2]KaiWang,Dr.Pommerenke,JianMin,Zhang,RamachandranChundru,“ThePCBlevelESDimmunitystudybyusing3DimensionESDScansystem”,ElectromagneticCompatibility,2004IEEEInternationalSymposiumonEMC.
[3]CaiQing,JayongKoo,ArghaNandy,DavidPommerenke,JongSungLeeandByongSuSeol,“AdvancedfullwaveESDgeneratormodelforsystemlevelcouplingsimulation”,2008IEEEInternationalSymposiumonEMC.
[4]KaiWang,Pommerenke,D.,R.Chundru,“NumericalmodelingofESD-Simulator”,2002IEEEInternationalSymposiumonEMC,Vol.1,2002.Page（s）:
93–98.
[5]DavidJ.Pommerenke,ThomasP.VanDoren,WangKai,“ESDCurrentsandFieldsontheVCPandtheHCPModeledUsingQuasistaticApproximations”,2002IEEEInternationalSymposiumonEMC
[6]SpartacoCaniggia,FrancescaromanaMaradei,“NumericalPredictionandMeasurementofESDRadiatedFieldsbyFree-SpaceFieldSensors”,IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,2001.
[7]Yi-ShangHuangandTzong-LinWu,“NemericalandExperimentalInvestigationofNoiseCouplingPerturbedbyESDCurrentsonPrintedCircuitBoards’,2003IEEEInternationalSymposiumonEMC,Vol.1,pages（s）:
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