片上 IEC ESD 保護對實驗室和便攜式設備是有用的,但不足以應對工業環境中發生的 EFT 和浪涌瞬變。因此,穩健而可靠的總線節點設計需要使用外部瞬態保護器件。ESD 和 EFT 瞬變脈沖群的頻率帶寬較寬(大約 3MHz 至 3GHz),因此在 PCB 設計過程中必須應用高頻布局技術。至少需要四層才能實現低 EMI PCB 設計(請參閱圖 11-1)。
- 層堆疊應符合以下順序(從上到下):高速信號層、接地平面、電源平面和低頻信號層。
- 在頂層布置高速跡線可避免使用過孔(以及引入其電感),并且可實現隔離器與數據鏈路的發送器和接收器電路之間的可靠互連。
- 通過在高速信號層旁邊放置一個實心接地平面,可以為傳輸線互連建立受控阻抗,并為返回電流提供出色的低電感路徑。
- 在接地平面旁邊放置電源平面后,會額外產生大約 100 pF/in2 的高頻旁路電容。
- 在底層路由速度較慢的控制信號可實現更高的靈活性,因為這些信號鏈路通常具有裕量來承受過孔等導致的不連續性。
- 將保護電路放置在靠近總線連接器的位置,以防止噪聲瞬變穿透電路板。
- 使用 VCC 和接地層來提供低電感。高頻電流可能會選擇電感最小的路徑,而不一定選擇電阻最小的路徑。
- 將保護元件設計成信號路徑的方向。不得將瞬態電流從信號路徑強行轉移至保護器件。
- 在盡可能靠近電路板上收發器、UART 和控制器 IC 的 VCC 引腳的位置應用 0.1μF 旁路電容器。
- 當旁路電容器和保護器件連接 VCC 和接地端時,應至少使用兩個過孔以最大限度地減小有效過孔電感。
- 為使能線路使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻器,從而在瞬態事件期間限制這些線路中的噪聲電流。
- 如果 TVS 鉗位電壓高于收發器總線引腳的指定最大電壓,則在 A 和 B 總線線路中插入防脈沖電阻器。這些電阻器可限制進入收發器的剩余鉗位電流并防止其鎖存。
- 雖然純 TVS 保護足以應對高達 1kV 的浪涌瞬態,但更高的瞬態需要金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 將瞬態降低到幾百伏的鉗位電壓,以及瞬態阻斷單元 (TBU) 將瞬態電流限制在小于 1mA。
如果需要額外的電源電壓平面或信號層,請在堆棧中添加另一個電源平面或接地平面系統,以使其保持對稱。這樣可使堆棧保持機械穩定并防止其翹曲。此外,每個電源系統的電源平面和接地平面可以放置得更靠近彼此,從而顯著增大高頻旁路電容。
有關詳細的布局建議,請參閱數字隔離器設計指南。