كيفية منع تدفق تيار ESD إلى PCB في تصميم PCB

أجرينا مؤخرًا اختبارات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) على المنتجات الإلكترونية. ومن نتائج اختبارات منتجات مختلفة، وجدنا أن هذا الاختبار بالغ الأهمية: فإذا لم يكن تصميم لوحة الدائرة الكهربائية جيدًا، فإن دخول الكهرباء الساكنة سيؤدي إلى تعطل المنتج أو حتى تلف مكوناته. في السابق، كنت ألاحظ أن التفريغ الكهروستاتيكي يُتلف المكونات فقط، لكنني لم أتوقع أن نولي اهتمامًا كافيًا للمنتجات الإلكترونية أيضًا.

التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، المعروف أيضًا باسم التفريغ الكهروستاتيكي. وفقًا للمعارف المكتسبة، تُعدّ الكهرباء الساكنة ظاهرة طبيعية، تتولد عادةً عن طريق التلامس والاحتكاك والحث وغيرها من الطرق بين الأجهزة الكهربائية. ومن خصائصها تراكمها طويل الأمد، وجهدها العالي (الذي قد يُنتج آلاف أو حتى عشرات الآلاف من الفولتات من الكهرباء الساكنة)، وكمية صغيرة من الكهرباء، وقلة التيار، وقصر زمن عملها. في المنتجات الإلكترونية، إذا لم يُصمّم التفريغ الكهروستاتيكي بشكل جيد، فإن هذه المنتجات الإلكترونية والكهربائية غالبًا ما تكون غير مستقرة أو حتى تالفة. هناك عادةً طريقتان لاختبار التفريغ الكهروستاتيكي: التفريغ بالتلامس والتفريغ الهوائي. التفريغ بالتلامس هو التفريغ المباشر للجهاز قيد الاختبار؛ أما التفريغ الهوائي، المعروف أيضًا باسم التفريغ غير المباشر، فينتج عن اقتران مجال مغناطيسي قوي بحلقة تيار مجاورة. يتراوح جهد الاختبار لهذين الاختبارين عادةً بين 2 و8 كيلو فولت، وتختلف المتطلبات باختلاف المناطق. لذلك، قبل التصميم، من الضروري فهم سوق لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) التي يستهدفها المنتج. تُعدّ الحالتان المذكورتان اختبارين أساسيين للمنتجات الإلكترونية، حيث يتلامس جسم الإنسان مع المنتج ولا يعمل بسبب كهربة جسمه أو لأسباب أخرى. 

تختلف نسبة الرطوبة في مختلف أنحاء العالم، ولكن في الوقت نفسه، إذا اختلفت رطوبة الهواء في منطقة ما، ستختلف أيضًا الكهرباء الساكنة المتولدة. يوضح الجدول التالي البيانات التي جُمعت، والتي تُظهر ازدياد الكهرباء الساكنة مع انخفاض رطوبة الهواء. وهذا يُفسر بشكل غير مباشر أيضًا سبب تطاير شرارات كبيرة من الكهرباء الساكنة عند إزالة الشعر شتاءً في شمال الصين. بما أن الكهرباء الساكنة تُسبب ضررًا بالغًا، فكيف يُمكننا حمايتها؟ عادةً ما نتخذ ثلاث خطوات عند تصميم الحماية الكهروستاتيكية: منع الشحنات الخارجية من التدفق إلى لوحة الدائرة الكهربائية مُسببةً تلفها؛ منع المجال المغناطيسي الخارجي من إتلاف لوحة الدائرة الكهربائية؛ منع خطر المجال الكهروستاتيكي.

في تصميم دائرة PCB الفعلية، سوف نستخدم طريقة واحدة أو أكثر من الطرق التالية للحماية من الكهروستاتيكية: 

 ١. ثنائي الانهيار للحماية من الكهرباء الساكنة :  تُستخدم هذه الطريقة أيضًا بشكل شائع في التصميم. الطريقة التقليدية هي توصيل ثنائي الانهيار بالأرض على خطوط الإشارة الرئيسية بالتوازي. تعتمد هذه الطريقة على سرعة استجابة ثنائي الانهيار وقدرته على التثبيت المستقر، مما يسمح باستهلاك جهد عالٍ متراكم في وقت قصير لحماية لوحة الدائرة. 

 ٢. حماية الدائرة باستخدام مكثف عالي الجهد :  في هذا النهج، تُوضع مكثفات سيراميكية بجهد تحمل لا يقل عن ١.٥ كيلو فولت عند موصلات الإدخال/الإخراج أو مواضع الإشارة الرئيسية، وتُقصر الأسلاك قدر الإمكان لتقليل محاثة الأسلاك. استخدام مكثفات بجهد تحمل منخفض يُتلف المكثفات ويفقدها فعاليتها في الحماية. 

 ٣. استخدم حبيبات الفريت لحماية الدائرة :  تُخفف حبيبات الفريت تيار التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) وتُثبّط الإشعاع. عند مواجهة مشكلتين، تُعدّ حبيبات الفريت خيارًا جيدًا. 

 ٤. طريقة فجوة الشرارة :  تُستخدم هذه الطريقة في مادة من قطعة واحدة. تعتمد هذه الطريقة على أن طبقة الشريط الدقيق المكونة من صفيحة نحاسية مثلثة الشكل، أطرافها متوازية. يتصل أحد طرفي الصفيحة النحاسية المثلثة بخط الإشارة، بينما يتصل الطرف الآخر بالأرض. عند وجود كهرباء ساكنة، يحدث تفريغ طرفي، مما يستهلك الطاقة الكهربائية. 

 ٥. استخدم مرشح LC لحماية الدائرة :  يقلل مرشح LC بفعالية من الكهرباء الساكنة عالية التردد الداخلة إلى الدائرة. تمنع مفاعلة المحاثة دخول التفريغ الكهروستاتيكي عالي التردد إلى الدائرة، بينما يحول المكثف طاقة التفريغ الكهروستاتيكي عالية التردد إلى الأرض. في الوقت نفسه، يُنعم هذا النوع من المرشحات حواف الإشارة، ويقلل من تأثير الترددات الراديوية، ويحسن أداء سلامة الإشارة. 

 6. حماية لوحة PCB متعددة الطبقات من التفريغ الكهروستاتيكي :  يعد اختيار اللوحة متعددة الطبقات أيضًا طريقة فعالة لمنع التفريغ الكهروستاتيكي عندما تسمح الأموال بذلك. في اللوحات متعددة الطبقات نظرًا لوجود مستويات أرضية كاملة بالقرب من الأسلاك، يمكن للتفريغ الكهروستاتيكي أن يقترن بشكل أسرع بمستوى منخفض المقاومة وبالتالي حماية الإشارات الرئيسية. 

 7. طريقة الاحتفاظ بالشريط الواقي حول لوحة خط PCB :  تُستخدم هذه الطريقة عادةً لسحب الأسلاك بدون تجميع وطبقة لحام حول لوحة الدائرة. إذا سمحت الظروف، قم بتوصيل الأسلاك بالغطاء. في الوقت نفسه، انتبه إلى عدم تكوين حلقة مغلقة حتى لا تتشكل هوائي حلقي يسبب المزيد من المتاعب. 

 8. حماية الدائرة باستخدام أجهزة CMOS أو أجهزة TTL مع الثنائيات المشبكية :  تستخدم هذه الطريقة مبدأ العزل لحماية لوحة الدائرة. ونظرًا لأن هذه الأجهزة تتمتع بحماية الثنائيات المشبكية، فإنها تقلل من تعقيد التصميم في تصميم الدائرة الفعلي. 

 9. استخدم مكثفات فصل التيار بشكل متكرر :  يجب أن تحتوي مكثفات فصل التيار هذه على قيم ESL وESR منخفضة. بالنسبة لمكثفات فصل التيار ESD ذات التردد المنخفض، قلل من مساحة الحلقة.