消费类电子产品之ESD防护设计

ESD, ElectroStatic Discharge(静电放电)。一直以来，电子产品都受到ESD的影响，轻则影响性能，重则损坏产品,大多数电子产品在生命周期内99%的时间都会处于一个ESD环境中。现在欧洲也出台专门针对ESD的标准，所以ESD的防护是一个电子产品设计时就必须关注的问题，而不是事后亡羊补牢。本文主要描述了基于一个消费类电子产品的ESD防护设计。  静电是电荷的产生与消失过程中产生的电现象的总称。我们知道，物质是由原子组成，电子围绕原子运动，当电子在外力的作用下，电子离开原子而侵入其它原子，原子因缺少电子而带正电，得到电子而带负电。外力一般包含各种情况，如动能、位能、热能、化学能、电磁能等。 

带静电物体类型：1、电导体，电荷易中和，不容易积累电荷。2、非电导体，电阻大，电荷不易中和，故比较容易积累电荷。两接触材料（非电导体）之间的相对介电常数越大，越容易带静电。空气中相对湿度越低，物体越容易带静电。 静电一般具有高电压、低电量、大电流、作用时间短、复现性差、瞬间现象多、受湿度影响较大等特点。 

静电产生的方式：1、接触起电，当两个物体接触时，就会使其中一个物体失去电子而带正电，而另外一个物体得到电子而带负电，若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。2、感应带电：当带电的物体接近不带电物体时会在不带电的物体两端分别感应出正电荷和负电荷。3、热电和压电起电喷射起电等。 

ESD(静电放电)：带不同静电电位的物体通过直接接触或者静电场的感应而导致物体间静电电荷的移动，静电放电的快速电荷移动会产生很大的瞬间电流，强的电场和电磁辐射等。

ESD基本上可以分为三种类型：一是各种机器引起的ESD，二是家具移动或设备移动引起的ESD,三是人体接触引起的ESD，所有三种ESD中，电子产品最容易受到第三种ESD的损坏。 

ESD标准：  人体模型HBM(human body model)：模拟接触条件，主要用于器件。  IEC1000-4-2：用于系统级的ESD防护。对于相同的ESD电压，IEC1000-4-2的峰值电流要比人体模型HBM高5倍以上。 

机器模型（MM） 

带电设备模型（CDM） 

ESD对电子产品的危害：  ESD两种主要的破坏机制是：由ESD电流产生热量导致设备的热失效；由ESD感应出过高电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。

ESD引起器件的击穿：硬击穿，一次性造成芯片介质击穿、烧毁等永久性损坏。软击穿，造成器件性能下降或参数指标下降而成为隐患。  常用表面器件的击穿电压：（如下图）

ESD包含丰富的频谱范围，除容易造成电路损害外，也极易对电子电路造成干扰。ESD对电子电路的干扰有二种方式。一种是传导干扰，另一种是辐射干扰。ESD干扰可能会导致设备锁死、复位、数据丢失或可靠性下降等，如下图所示。

ESD标识符： 

a. ESD敏感符号

b. ESD防护符号

一般一个电子产品包含结构部分（外壳）和电路部分，而电路部分又可以细分为原理图部分和PCB部分。对于电子产品的ESD防护，这三个方面都必须注意。  电子产品的结构部分（外壳）一般都使用绝缘材料或者金属制造，ESD一般很难通过击穿外壳而影响电路的，一般1mm厚度的绝缘材料，需要8KV以上的ESD才能击穿的。ESD影响电路的主要途径是通过外壳之间的缝隙、电源、按键、通讯口等。对于ESD防护，结构方面主要考虑：对于壳体有缝隙，ESD能够进入壳体内部的地方，可以增大电路与外壳的距离，从而使ESD的能量大大减弱，根据经验，8KV的ESD在经过4mm的距离后能力一般完全衰减 。还可以在外壳内部喷涂导电油漆，通过导电油漆与PCB的地线连接，这样ESD通过导电油漆从地泻放,这样处理的方法除了可以防止ESD，还能有效的抑制EMI，对于金属外壳，同样的原理需要把壳体和PCB上的地连接起来。对于裸露在外面的金属接插件，我们可以安装塑料屏蔽套，在没有使用的时候使用屏蔽套保护。总之，ESD防护设计外壳上需要注意很多地方，尽量不让ESD进入壳体内部，最大限度地减弱其进入外壳的能量。

经过结构方面的ESD防护，ESD进入电路的能量已经大大减弱，对于原理图部分的ESD防护设计我们还需要注意一些地方，比如按键、电源、通信接口、显示器件等，这些部分不可避免的会裸露在机壳外面，会遭到ESD的袭击。这就需要我们放置一些ESD防护器件泻放ESD能量，保护系统电路。对于IC器件，从ESD的角度区分一般可以分为三种，静电敏感器件（IC器件内部没有ESD防护能力），静电敏感器件但有一定ESD防护能力（一般能够承受2KV的HBM模型测试），静电非敏感器件（带有ESD防护功能，比如一些RS232/RS485之类的接口器件），对于后面一种器件我们可以不用考虑ESD保护，对于系统级的ESD保护，前面两种器件都必须进行ESD保护。

为了即能达到ESD防护的功能又不影响系统功能，ESD保护器件最好需要具备以下条件：快的响应时间、低的钳位电压、高峰值的电流、承受ESD的重复作用而不损坏、体积小、反向漏电流小、电容小。

半导体技术的飞速发展，ESD保护的器件也有很多，不同的器件在成本、性能、防护能力方面会有所区别，需要设计时根据不同的场合、需求选用，主要有以下一些器件： 

金属屏蔽罩

使用金属屏蔽罩把电路保护起来，屏蔽罩接地，ESD通过金属屏蔽罩从地泻放。此方法具有ESD保护功能和EMI抑制功能，但成本较高、占用PCB空间大。  PCB放电焊盘：在PCB上做成锯齿状的裸露焊盘（不上绿油、间距小、放电焊盘之间间距一般0.1mm）,ESD电压较高时通过击穿空气介质放电。此方法成本低，但稳定性低，占用空间较大。 

阻容元件

在每条信号线上外加阻容元件。串联电阻能够限制尖峰电流，并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压。这样做的优点是成本低，但是防护能力有限。虽然能使ESD的破坏力在一定程度上得到抑制，但依然存在。因为阻容元件并不能降低尖峰电压的峰值，仅仅是减少了电压上升的斜率。而且阻容元件还会引起信号失真，以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率。外接的电阻/电容也增加了电路板面积。

钳位二极管

通过2个二极管把ESD电压钳位在VCC和GND直接，能起到正负极性的ESD防护，电容小，但由于二极管不是专门针对ESD应用，PN结较小，不能承受较大的峰值电流。

稳压二极管

能起到正负极性的ESD防护，但由于不是专门针对ESD应用，PN结较小，不能承受较大的峰值电流，寄生电容大。

压敏电阻

压敏电阻的阻值随两端电压变化而呈非线性变化。当施加在其两端的电压小于阈值电压时，器件呈现无穷大的电阻；当施加在其两端的电压大于阈值电压时，器件呈现很小电阻值。此物理现象类似稳压管的齐纳击穿现象，不同的是压敏电阻无电压极性要 求。使用压敏电阻保护电路的特点是简单、经济、瞬态抑制效果好、对电路带来的负面影响甚微，且可以获得较大的保护功率，不足的是压敏电阻的钳位电压相对较高。 

TVS器件（瞬变电压抑制器）

直接和保护元件并联在一起，设计简单，钳位电压低，PN结大，反应速度快、能起到很好的保护作用，但价格相对较高。有单个的TVS，也有阵列型的，有单极性的也有双极性的。  气体放电管（GDT）：它是具有一定气密的玻璃或陶瓷外壳，中间充满稳定的气体，如氖或氩，并保持一定压力。GDT通流量大、极间电容小，可自行恢复，其缺点是响应速度太慢，放电电压不够精确，寿命短，电性能会随时间变化。 

有了结构的ESD防护设计和原理图的ESD防护设计之后，如果没有好的PCB的ESD防护设计，系统整体的ESD防护能力将会大大降低，所以PCB的ESD防护设计在整个过程中起着至关重要的作用。

ESD防护器件最好放置在ESD的入口点，大的ESD回路会产生寄生电感，提高钳位电压，也会向外部电路产生EMI干扰。

ESD防护器件最好和被保护器件串连放置，也就是说ESD能量先经过ESD保护器件，然后再到被保护器件。PCB的板边最好全部用GND走线包围。

 GND与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm。

 PCB板边（包括通孔Via边界）与其它布线之间的距离应大于0.3mm。 

信号线最好不要放置在ESD回路旁。

不同层的GND之间应有尽可能多的通孔（VIa）相连。铺地时应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

总之，ESD损坏是一个统计现象，增加ESD防护使系统成本增加。定义产品实际的系统失效率非常重要。最佳防护是系统以最低的成本满足一定水平的ESD防护性能，设计过高的ESD防护性能使成本增高。