PCB設計においてESD電流がPCBに流入するのを防ぐ方法

最近、電子製品のESD試験を実施しています。様々な製品の試験結果から、このESD試験は非常に重要な試験であることがわかりました。回路基板の設計が適切でないと、静電気の侵入によって製品がクラッシュしたり、部品が損傷したりする可能性があるからです。以前は、ESDが部品に損傷を与えることしか認識しておらず、電子製品にも十分な注意を払う必要があるとは思っていませんでした。

ESD（静電気放電）は、一般的に電気機器間の接触、摩擦、誘導などによって発生する自然現象です。静電気の特性として、長期間の蓄積、高電圧（数千ボルト、場合によっては数万ボルトの静電気を発生する）、微量電流、短時間の作用などが挙げられます。電子製品の場合、ESD対策が適切に行われていないと、電子・電気製品が不安定になったり、損傷したりする恐れがあります。ESD放電試験には、通常、接触放電と気中放電の2つの方法があります。接触放電は試験対象機器への直接放電であり、気中放電は間接放電とも呼ばれ、隣接する電流ループへの強力な磁場結合によって引き起こされます。これら2つの試験の試験電圧は通常2kV～8kVですが、地域によって要件が異なります。そのため、設計前に、製品がターゲットとするPCB市場を理解する必要があります。上記の2つの状況は、人体が電子製品に接触し、人体への帯電などにより動作不能になるという、電子製品に対する基本的な試験です。 

世界各地の湿度状況は異なりますが、同時に、地域の空気湿度が異なれば、発生する静電気も異なります。次の表は収集されたデータを示しており、空気湿度の低下とともに静電気も増加することがわかります。これはまた、中国北部で冬に脱毛を行うと静電気による大きな火花が発生する理由を間接的に説明しています。静電気の害が非常に大きいため、どのように防ぐべきでしょうか。静電気保護を設計する際には通常、3 つの手順を踏みます。外部電荷が回路基板に流れ込んで損傷を引き起こすのを防ぐ、外部磁場が回路基板を損傷するのを防ぐ、静電場によって引き起こされる危険を防ぐことです。

実際の PCB 回路設計では、静電気保護のために次の方法の 1 つ以上を使用します。 

 1、静電気保護用アバランシェダイオード： これも設計でよく使われる手法です。代表的な方法は、主要な信号ラインにアバランシェダイオードをグランドに並列に接続することです。この手法は、アバランシェダイオードの高速応答性と安定したクランプ能力を利用し、蓄積された高電圧を短時間で消費することで回路基板を保護します。 

 2、高電圧コンデンサを用いた回路保護： この方法では、通常、耐電圧1.5KV以上のセラミックコンデンサをI/Oコネクタや主要な信号位置に配置し、配線を可能な限り短くすることで配線インダクタンスを低減します。耐電圧の低いコンデンサを使用すると、コンデンサが損傷し、保護効果が失われます。 

 3、回路保護にフェライトビーズを使用する： フェライトビーズはESD電流を減衰させ、放射を抑制することができます。これらの2つの問題に直面した場合、フェライトビーズは良い選択肢となります。 

 4、スパークギャップ方式： この方式は一枚の材料で使用できます。具体的な方法は、銅板で構成されたマイクロストリップ層が、先端が互いに一直線に並んだ三角形の銅板で構成されています。三角形の銅板の一方の端は信号線に接続され、もう一方の端はグランドに接続されます。静電気が発生すると、先端から放電が発生し、電気エネルギーが消費されます。 

 5、LCフィルタによる回路保護：  LCフィルタは、回路に侵入する高周波静電気を効果的に低減します。インダクタンスとリアクタンスが高周波ESDの回路侵入を効果的に防ぎ、コンデンサがESDの高周波エネルギーをグランドに分流します。同時に、この種のフィルタは信号エッジを滑らかにし、無線周波数の影響を低減することで、信号整合性の面で性能をさらに向上させます。 

 6、多層 PCB ボードの ESD 保護: 予算が許せば、多層ボードを選択することも ESD を防止する効果的な方法です。多層ボードでは配線の近くに完全なグランド プレーンがあるため、ESD は低インピーダンス プレーンに速く結合し、重要な信号を保護できます。 

 7、PCBラインボード周囲の保護テープの保持方法： この方法は通常、回路基板の周囲にアセンブリとはんだ層なしで配線を描くために使用されます。条件が許せば、配線をシェルに接続します。同時に、リングアンテナが形成されてトラブルが増えないように、閉ループを形成しないように注意してください。 

 8、クランプダイオードを備えたCMOSデバイスまたはTTLデバイスを使用した回路保護： この方法は、絶縁原理を使用して回路基板を保護します。これらのデバイスにはクランプダイオード保護があるため、実際の回路設計における設計の複雑さが軽減されます。 

 9、デカップリング コンデンサを頻繁に使用する: これらのデカップリング コンデンサは、ESL 値と ESR 値が小さい必要があります。低周波 ESD デカップリング コンデンサの場合、ループ領域が小さくなります。