PCB-Designstrategie der ETH für Kunststoffgehäuse

Beim Design moderner Ethernet-Geräte treiben Kosten, Gewicht und Ästhetik den zunehmenden Einsatz von Kunststoffgehäusen voran. Während Kunststoffmaterialien Vorteile wie geringes Gewicht, niedrige Kosten und flexible Formverfahren bieten, stellen ihre Isolationseigenschaften einzigartige Herausforderungen für das Design der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) dar, insbesondere für den Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD). In diesem Artikel wird untersucht, wie PE-Ladung (Schutzerde) durch innovatives PCB-Design innerhalb der Einschränkungen von Kunststoffgehäusen effektiv abgeleitet werden kann.

Analyse der ESD-Schutzeigenschaften von Kunststoffgehäusen
Kunststoffgehäuse sind im Wesentlichen eine Isolationsstrategie. Gemäß den ESD-Schutzprinzipien ist die Isolierung die direkteste und effektivste Schutzmethode – durch die Vergrößerung der Entladungspfadlänge kann statische Elektrizität nicht die internen Schaltkreise erreichen. Die Norm IEC 61000-4-2 schreibt vor, dass eine 8-kV-Luftentladung einen Isolationsabstand von mindestens 4 mm erfordert, um das Eindringen eines Lichtbogens wirksam zu verhindern. Dies liefert eine theoretische Grundlage für die Gestaltung von Kunststoffgehäusen: Solange ausreichende Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden, ist das Kunststoffgehäuse selbst eine natürliche Barriere. Allerdings bringt diese Isolationseigenschaft auch Nebenwirkungen mit sich: Statische Aufladungen, die im Inneren des Geräts erzeugt werden oder extern eingekoppelte Ladungen können nicht reibungslos abgeleitet werden, wodurch möglicherweise ein Hochspannungspotential in einem bestimmten Bereich der Leiterplatte entsteht. Wenn die Spannung einen Wert erreicht, der ausreicht, um das Kunststoffgehäuse oder den Luftspalt zu zerstören, kommt es zu einer zerstörerischeren Sekundärentladung. Daher liegt der Kern des Ladungsmanagements unter Kunststoffgehäusen in der „aktiven Entladung“ und nicht in der „passiven Isolierung“.

1. Ladungsdynamik schwimmender Bodensysteme
   Bei Geräten mit Kunststoffgehäuse handelt es sich in der Regel um schwimmende Erdungssysteme, d. h. es besteht keine Gleichstromverbindung zwischen der Leiterplatten-Erdungsebene und der externen Erdung. Das Ladeverhalten schwimmender Bodensysteme folgt diesen Prinzipien:
   Ladungserhaltung: Die Gesamtmenge an positiven und negativen Ladungen innerhalb des Systems ist gleich, aber verschiedene Bereiche können aufgrund der Induktion unterschiedliche Potenziale aufweisen.
   Kapazitive Kopplung: Zwischen der Leiterplatte und der äußeren Umgebung sowie zwischen internen Komponenten und dem Gehäuse bilden sich parasitäre Kapazitäten, die zu Kanälen für die Ladungsübertragung werden.
   Hochspannungsakkumulation: Ohne einen Entladepfad kann eine kleine Ladung an Knoten mit hoher Impedanz Tausende von Volt erzeugen.
   Entladungsschwelle: Wenn die Potentialdifferenz die Durchschlagsfestigkeit des Isoliermediums überschreitet, kommt es zu einer Bogenentladung.

Grundlegende Designprinzipien für PCB - Level Charge Discharge
Prinzip 1: Konstruieren Sie eine Board-Level-Quasi-Ground-Plane
Bei Geräten mit Kunststoffgehäuse ist zwar kein externer Erdungsanschluss möglich, es muss jedoch eine stabile Bezugspotentialebene auf der Leiterplatte hergestellt werden, die wir „Quasi-Masse“ nennen. Dieses Flugzeug dient als „Reservoir“ und „Umladestation“ für Ladungen.
Zu den Designüberlegungen gehören:
- Vollständige Masseebene: Stellen Sie bei der Verwendung mehrschichtiger Platinendesigns sicher, dass eine vollständige, unsegmentierte Kupferfolienschicht als durchgehende Masseebene vorhanden ist. Eine vollständige Ebene bietet den Pfad mit der niedrigsten Impedanz und sorgt für eine schnelle Homogenisierung der Ladungsverteilung.
- Stern-Erdungstopologie: Verbinden Sie die Erdungskabel aller Funktionsmodule sternförmig mit der Haupterdungsebene, um durch Erdschleifen verursachte Potenzialunterschiede zu vermeiden.
- Bodensegmentierung vermeiden: Segmentieren Sie die Bodenebene nicht funktional. Die Segmentierung führt bei hohen Frequenzen zu inkonsistenten Erdpotentialen in verschiedenen Bereichen, wodurch Potentialunterschiede entstehen.
- Maximieren Sie die Kupferfüllung: Füllen Sie alle ungenutzten Leiterplattenbereiche mit Kupferfolie und verbinden Sie sie mit Masse, um die Ladekapazität zu erhöhen.

Prinzip 2: Richten Sie ein hierarchisches Entlastungsnetzwerk ein

Um eine übermäßige Ladungskonzentration an einem einzelnen Knoten zu verhindern, sollte ein hierarchisches Entladenetzwerk entworfen werden, um eine allmähliche Ladungsfreisetzung zu erreichen. Dieses Netzwerk ähnelt dem abgestuften Hochwasserabflusssystem eines Staudamms:

Ebene 1: Platte-Ebenen-Homogenisierungsschicht
- Entwerfen Sie eine ringförmige Masseebene mit einer Breite von mindestens 3,5 mm um die Leiterplatte als Ladungspuffer.
- Verbinden Sie die ringförmige Erdungsebene über dichte Durchkontaktierungen (5 mm Abstand) mit der Haupterdungsebene, um die Verbindungsimpedanz zu reduzieren.
- Der Schutzring um kritische ICs sollte direkt mit dieser ringförmigen Masseebene verbunden werden.

Stufe 2: Schnittstellenentladungsschutz
- Alle externen Schnittstellen (RJ45, USB, Strom usw.) müssen über unabhängige ESD-Schutzvorrichtungen verfügen.
- Der Erdungsanschluss des Schutzgeräts sollte über den kürzesten Weg (<5 mm) mit der Haupterdungsebene verbunden werden.
- Vermeiden Sie die gemeinsame Nutzung von Erdungsebenen zwischen Schutzgeräten und geschützten Schaltkreisen, um Erdungssprünge zu verhindern.

Ebene 3: Energiedissipationsschicht
- Richten Sie „Ladungsableitungszonen“ an den vier Ecken oder Kanten der Leiterplatte ein – verbinden Sie große Kupferfolienflächen über ein RC-Netzwerk mit der Haupterde.
- RC-Parameterauswahl: Ein 1 MΩ/10 MΩ-Widerstand und ein 10 nF/100 nF-Kondensator werden parallel geschaltet, um einen Hochfrequenz-, Niederimpedanz- und Hochimpedanz-Entladungspfad zu bilden.
- Dieses Design ermöglicht eine schnelle elektrostatische Hochfrequenzentladung, blockiert gleichzeitig den Gleichstrom-Leckstrom und sorgt für die Erhaltung der erdfreien Eigenschaften.

Prinzip 3: Optimieren Sie das Layout für räumliche Isolation
Die räumliche Anordnung unter dem Kunststoffgehäuse wirkt sich direkt auf die Ladungsverteilung und die Entladeeffizienz aus. Es sollte ein Layoutkonzept mit „konzentrischen Kreisen“ befolgt werden:


Identifizierung und Isolierung von ESD-Quellen
- ESD-Testpunkte befinden sich typischerweise an Gehäusenähten, Lüftungsöffnungen, Bedienknöpfen, Anzeigeleuchten usw.
- Legen Sie beim PCB-Layout die entsprechenden Bereiche dieser sensiblen Stellen als „No-Go-Zonen“ fest, in denen keine Komponenten oder Leiterbahnen platziert werden sollten.
- Stellen Sie sicher, dass die Kriechstrecke zwischen der ESD-Quelle und der internen Schaltung mehr als 20 mm beträgt. Dies ist entscheidend, um sekundäre Lichtbögen zu verhindern.

Funktionale Zoneneinteilungsstrategie
- Platzieren Sie empfindliche Komponenten wie Ethernet-PHY-Chips und Transformatoren in der Mitte der Leiterplatte.
- Platzieren Sie robuste Schaltkreise wie Netzteile und Schnittstellentreiber am Rand der Leiterplatte.
- Erstellen Sie einen „Schutzstreifen“ zwischen empfindlichen Bereichen und Kanten – einen leeren Bereich von mindestens 3 mm oder einen Isolationsstreifen, der nur aus Erdungsdrähten besteht.

Umgang mit hochsensiblen Signalen
- Empfindliche Leiterbahnen wie Reset-, Takt- und analoge Frontendsignale sollten auf den inneren Schichten der Leiterplatte verlegt und auf beiden Seiten von Masseebenen umgeben werden.
- Diese Signalleitungen sollten mindestens das Dreifache der Leiterbahnbreite vom Platinenrand entfernt sein.
- Vermeiden Sie die Platzierung von Durchkontaktierungen in der Nähe empfindlicher Signale, um eine Ladungskopplung durch Durchkontaktierungen zu verhindern.

Prinzip 4: Entladungspfad mit kontrollierter Impedanz
Bei Geräten mit Kunststoffgehäuse ist eine rein erdfreie Erdung nicht ideal; Es muss ein Entladungspfad mit kontrollierter Impedanz aufgebaut werden. Dieser Pfad muss eine wirksame Freisetzung von ESD-Energie gewährleisten und gleichzeitig die Eigenschaften der schwebenden Erdung des Geräts beibehalten, um Netzfrequenzinterferenzen zu unterdrücken.
Design eines RC-Entladungsnetzwerks
Gemäß der Norm IEC 61000-4-2 erfordert die ESD-Prüfung eine 2-kV-Entladung innerhalb von 10 Sekunden für jede Entladung. Daher kann der Entladungswiderstandswert wie folgt berechnet werden: R = V/I = 2000 V / (Q/t) ≈ 1 MΩ/2 MΩ.
Empfohlen für praktisches Design:
- Widerstände: 1 MΩ/10 MΩ, Spannungsfestigkeit mindestens 2 kV
- Kondensatoren: 10 nF/100 nF, Spannungsfestigkeit über 1 kV, vorzugsweise X7R- oder C0G-Material
- Layout: Das RC-Netzwerk sollte nahe am PCB-Rand liegen, insbesondere in Bereichen, in denen menschlicher Kontakt möglich ist.

Designprinzipien für Komponentenperipherie

Der synergistische Effekt von TVS und GDT
- An kritischen Schnittstellen sorgt TVS (Transient Voltage Suppressor) für einen schnellen Reaktionsweg und dämmt ESD-Energie ein.
- Für Hochspannungs-ESD können GDT (Gasentladungsröhren) parallel geschaltet werden, um einen großen Energieentladungspfad bereitzustellen.
- Die Erdungsklemmen von TVS und GDT müssen über unabhängige, kurze und breite Leiterbahnen mit der Haupterdungsebene verbunden sein.


Abschirmung von Netzwerktransformatoren
Ethernet-Transformatoren sind entscheidende Barrieren gegen ESD-Leitung und ihre Designqualität wirkt sich direkt auf die Schutzwirksamkeit aus:
- Wählen Sie Transformatoren mit Mittelanzapfungen und erden Sie die Anzapfungen über Kondensatoren.
- Die primäre und sekundäre Erdungsebene des Transformators sollten getrennt und nur durch kapazitive Kopplung gekoppelt sein.
- Verlegen Sie die Kabel nicht unter dem Transformator; Halten Sie eine vollständige Masseebene als Abschirmung aufrecht.

MDI-Signalleitungsschutz
MDI-Spuren (Physical Layer Medium Dependent Interface) sind der Eintrittspunkt für ESD:
- Platzieren Sie ein ESD-Schutzarray (z. B. die SP03xx-Serie) vor den MDI-Pins des PHY-Chips.
- Der Erdungsstift des Schutzgeräts sollte über eine spezielle Durchkontaktierung direkt mit der Haupterdungsebene verbunden sein.
- MDI-Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich sein, idealerweise unter 25 mm, und die Impedanz sollte auf 50 Ω abgestimmt sein.
- Umgeben Sie die Leiterbahnen mit einer Masseplatte und fügen Sie auf beiden Seiten dicht Durchkontaktierungen ein, um eine „Abschirmwand“ zu bilden.