Richtiges Routing und Layout Ihrer PCB zum Schutz Ihrer Platine vor elektrostatischer Entladung (ESD)

Als ich mit dem Laufen anfing, lief ich mit einer Freundin zusammen, die schon mehrere Ultramarathons absolviert hatte. Sie lief immer mehrere Kilometer von ihrem Haus bis zu mir, drehte mit mir zusammen eine kurze Runde und setzte ihren Lauf dann ohne mich fort.

Als ich dann schneller wurde, erweiterte sie unsere Runde, anstatt früher nach Hause zurückzukehren. Auch in der Auswahl der Route war sie hinterlistig. Sie plante sie immer so, dass es für mich langweilig gewesen wäre, mittendrin umzudrehen, oder wählte eine ganz neue Strecke, damit ich mich verlaufen hätte, wenn ich eine „Abkürzung“ genommen hätte.

Als Stadtplanerin war sie sehr bewusst bei der Auswahl dessen, was sie von einer Laufstrecke wollte. Ich als Ingenieur wollte dagegen etwas ganz Anderes – in der Regel am Smoothie-Shop vorbeilaufen – aber ich verstand ihre Absicht. Wenn ich PCBs entwerfe, ist es im Grunde ähnlich: Ich möchte, dass mein Routing sehr spezifische Anforderungen in Bezug auf Kosten und Leistung erfüllt. Besonders wichtig ist das Routing, wenn es um den ESD-Schutz geht; es hilft Ihnen, Ihre Bauteile vor ESD-bedingten elektromagnetischen Interferenzen zu schützen.

Minimierung von Schleifen

Obwohl unsere Laufstrecken oft ausgedehnte Schleifen waren, wollen Sie auf Ihrem PCB das Gegenteil davon haben. Wenn es Ihnen gelingt, Schaltkreisschleifen zu minimieren, wird sich dies durch weniger Schäden aufgrund von elektrostatischen Entladungen auszahlen, die sich über Ihr PCB ausbreiten. Der Grund dafür ist der induzierte Strom in einer Schleife, die einen sich ändernden magnetischen Fluss umschließt. Wenn dieser magnetische Fluss von einer elektrostatischen Entladung herrührt, kann die Stärke des unerwartet durch Ihre Bauteile fließenden induzierten Stroms ziemlich katastrophale Schäden verursachen.

Manchmal gibt es einfach keine andere Option, und Ihr Layout erfordert einfach eine Schleife. In diesem Fall minimieren Sie am besten die Größe der Schleife. Die Stärke des induzierten Stroms ist nämlich proportional zur Größe der Schleife.

Verwenden von Masseflächen

Wenn Sie ein mehrlagiges PCB entwerfen, sollten Sie unbedingt eine Massefläche einfügen. Die häufigsten Schleifen auf PCBs sind Verbindungen von der Stromversorgung zur Masse. Diese Schleifen sind so allgegenwärtig, dass sie leicht übersehen werden.

Für Designs, in die sich keine Massefläche integrieren lässt, sollten Sie eine gitterförmige Anordnung von Durchkontaktierungen für die Verbindung zur Stromversorgung und zur Masse verwenden. Das emuliert im Grunde eine Massefläche mit Leitungen. Sie können es sich wie ein Spalier vorstellen, mit Stromversorgungs-Anschlüssen an Punkten entlang einer Linie und Masseleitungen mit Anschlüssen entlang orthogonaler Linien. Semtech hat dazu eine wirklich schöne Illustration und empfiehlt Verbindungen in Abständen von 6 cm.

Eine weitere Empfehlung lautet, Stromversorgungs- und Masseleitungen dicht beieinander zu führen. Allerdings kann dies ein Ätzen auf Ihrer Platine hervorrufen, vor allem bei Wechselstrom.

Das Verwenden eines Rasters, ähnlich einem Spalier, für die Verbindung zur Stromversorgung und zur Masse kann beim Minimieren von Schaltkreisschleifen helfen, falls Sie keine Massefläche integrieren können.

Optimierte Leiterbahnenführung

Neben der Minimierung von Schleifen sollten Sie versuchen, parallel verlaufende Leiterbahnen zu eliminieren. Das gilt insbesondere für parallele Leiterbahnen zwischen miteinander verbundenen Geräten. Bei parallelen Leiterbahnen kann es leicht zu gegenseitigen Kopplungen kommen. Wenn Sie eine durch einen TVS geschützte Leiterbahn parallel zu einer ungeschützten Leiterbahn haben, kann sich der durch elektromagnetische Interferenz entstehende Schaden leicht durch das ganze System ausbreiten, trotz der Schutzschaltung.

Eine nächste Stufe bei der Unterdrückung von elektrostatischen Entladungen ist die Verwendung von Schutz-Leiterbahnen. Wenn Sie eine lange Signalleitung einfach nicht vermeiden können (bei Semtech sind das 30 cm und mehr), können Sie stattdessen eine Schutz-Leiterbahn einsetzen. Eine solche Leiterbahn verläuft parallel zu einem Hochgeschwindigkeitssignal. Ich habe Ihnen zwar gerade gesagt, dass Sie parallele Leiterbahnen vermeiden sollen, aber eine Schutz-Leiterbahn nimmt einen Großteil der ESD auf sich und stellt eine Rückleitung zur Verfügung, die viel von dem abgestrahlten Feld aufhebt. So werden die in der Nähe befindlichen Leiterbahnen vor dem Übersprechen Ihrer Signalleitung geschützt.

Vertauschen langer Leiterbahnen

Wenn Sie für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwerfen, wissen Sie wahrscheinlich schon, dass Sie Ihre Leiterbahnen kurz halten sollten. Schließlich möchten Sie ungewollte Antennen oder lange lineare Schleifen auf Ihrem PCB vermeiden. Doch wieder einmal könnte es das Schicksal nicht gut mit Ihnen meinen, und es führt kein Weg an einer langen Signal- oder Stromversorgungsleitung vorbei. Allerdings können Sie diese Schleifen durch das Vertauschen von Signal- und Masseleitung aufbrechen. Nun haben Sie viele kleinere Schleifen, wie bei verdrillten Leitungen, diesmal aber in Ihren PCB-Lagen.

Das Vertauschen von PCB-Leiterbahnen führt wie das Verdrillen von Leitungen zu einer Reduzierung der elektromagnetischen Interferenzen.

Ob für einen Trainingslauf oder die Leiterbahnen Ihrer PCB – die Planung Ihres Routings im Voraus ist die zusätzliche Zeit wert. Die Verbesserung der Geschwindigkeit, der Leistungsfähigkeit und des Schutzes ist nicht einfach, aber auf lange Sicht lohnt sie sich. Auch wenn Sie keinen Freund haben, der das Routing für Sie erledigt, gibt es doch hervorragende Tools, die helfen können. PCB-Designsoftware wie Altium Designer bietet zu Ihrer Unterstützung eine durchgängige Design- und Schaltplan-Umgebung für ein perfektes PCB-Design. Der Support von Altium kann Ihnen dabei helfen, noch heute loszulegen!