esd静电防护主要工具（ESD静电放电原理）

静电无处不在。尤其是在冬天的北方，天气干燥的时候，脱衣服的时候就会产生噼里啪啦的静电，晚上的时候还能看到辉光。这种静电放电（Electro Static Discharge）现象，在电子器件中如果防护不当，甚至会烧毁设备。因此，现在越来越重视对静电的防护。大多数的IC也都有2kv的抗静电能力。

一、 静电放电（ESD）原因

正常情况下，物体呈现电中性。而物体会通过摩擦、感应等方式获得电子或者失去电子，使物体带电。我们知道绝缘体和导体之间不是绝对的，当能量足够大的时候，就会把绝缘体击穿，从而传导电荷。物体电荷积累到足够多的时候，就可能把本来不导电的空气击穿，从而泄放电荷，进入新的平衡。这就是静电放电现象。通常由于击穿，电阻就会很小，从而造成瞬间大电流。但这样的静电能量并不高，因此，大电流的持续时间也很短。

二、静电放电模型及标准

根据特征不同，通常将静电放电模型分为人体模型（HBM)、机器模型（MM）和带电器件模型（CDM）。

目前，欧盟已经做了工业级别的静电防护标准，即IEC61000-4-2，我国的静电标准为GB/T 17626.2-1998，与欧盟标准IEC61000-4-2等同。下图为静电发生器简图，也是典型的静电放电模型图。

图1 静电发生器简图

首先，左侧直流高压电源通过电阻给电容Cs充电，继而断掉左侧开关，再次打开放电开关，使Cs中的电荷通过Rd放电电阻泄放给待测设备。在IEC61000-4-2标准下，储能电容Cs为150pF，放电电阻Rd为330 ohm。

而人体模型中，Cs为100pF，Rd为1.5Kohm；机器模型中，Cs为200pF，Rd几乎为0 ohm。可以看出，机器模型中，储能电容的容值更高，就意味着电荷更多，而放电电阻几乎为零，则意味着线路阻抗很低。这样，高电荷低阻抗的放电回路，静电的能力也是最强。因此，机器模型也被称为“最严酷的人体模型”。带电器件模型，是在电子产品制造和运输中摩擦、接触累积的电荷，实际上很难模拟放电过程。因此也没有形成具体的测试标准。

下图为在人体模型中，人体的静电带电最高电压及环境之间的关系。我们就可以理解，为什么在北方干燥的冬天，穿着涤纶等合成化纤的衣服，会经常被静电打到，而这时候的静电电压甚至能高达15kv。

图2 人体静电放电电压与环境的关系

根据静电放电模型，IEC61000-4-2模拟静电放电做了相应的静电产生设备——静电发生器，又叫静电枪。图1就是静电枪的电路。而基于该标准的静电放电波形图如下图：

图3 静电放电发生器输出电流的典型波形

从图中可以看出，第一尖峰的上升时间tr=0.7-1ns。（上升时间的计算为从10%处上升到90%处所用的时间。）电流在此时间内幅度波动巨大，1-30A不等。而放电能量的频率也从几十Mhz到1Ghz不等，但大多数能量都集中在低频放电区域。

根据人体放电模型，IEC61000-4-2制定了五级的试验等级，包括了4个试验等级和1个开放等级。一般电子产品过的CTA认证，要求静电等级为3，即接触6kv，空气8kv。相应的接触放电和空气放电的静电枪的枪头是不同的，接触放电的头是尖头，方便接触，而空气放电的枪头是圆头。表1为静电放电试验等级。图4为静电枪头示意图。

表1 静电放电试验等级

图4 静电放电发生器的放电电极

三、静电的危害

静电放电主要会对设备产生损坏，主要可以分为设备永久失效和暂时失效两种。

由于静电放电会产生瞬间大电流，因此能量可能会对电路造成损害，直接破坏器件的正常使用，这就使设备被烧毁，引起永久性的失效。

另一方面，由于静电中还会存在高频脉冲，这些脉冲引起的磁场通过耦合、辐射等方式，对周围的场造成电磁干扰，通过缝隙、电路等对器件产生干扰，导致设备的暂时性失效。

四、静电防护

既然知道静电造成的危害，就要在设计产品的时候想办法去规避危害。

在处理静电问题的时候，主要遵从两大方法：堵和疏。既然静电无法避免产生，那么我们就要对他进行处理。

1、堵

堵，顾名思义，就是严防死守。虽然你有静电，但是我不让它进入到我的设备中，这就是堵。这个问题主要是结构工程师完成的。让壳体匹配度更高。

主要有两点方法：

1> 尽量减小壳体的缝隙。让外边的静电没有缝隙进到设备内部造成伤害。

2> 拉大外壳到内部电路的间距。经验表明，8kv左右的静电经过5mm的距离后可完全衰减。

3> 软件上做处理。我们经常会碰到，ESD把屏打花的情况，这时候就要软件来做更改防止花屏。针对这个问题，刚入行的时候并不理解。ESD明明是硬件问题，为什么软件处理之后能好。以花屏问题为例，可以看出这是暂时失效的问题。ESD可能导致屏幕的控制脚引入噪声，从而引起中断。这样，通过优化软件代码（比如将中断口的触发条件进行判断，对中断信号设置持续时间等），一些不可自动恢复的故障可以被避免，可恢复的故障概率也可以降低。

2、疏

疏则是让静电找到合适的泄放路径，而不会从器件内部泄放。

主要可以采取如下方法：

1> 要尽量保证完整的地平面。完整的地平面不但可以降低噪声干扰等辐射之外，还可以增强ESD性能。大的地平面有助于静电泄放，同时降低静电场产生的影响。

2> 增大表层地的露铜区域。这样有利于外部静电通过表面露出的地直接导入板子主地，完成大面积泄放。

3> 减小电源层与地平面的距离。我们知道，静电无非是能量，而能量可以通过储能元件来吸收。平板电容器的公式如下：

其中，ε为介电常数，d为两个平行板之间的距离，S为平行板的面积。

由公式可以看出，减小两个平行板之间的距离，就是增大电容器的电容值。

电源层和地平面可以构成一个平行板电容器，减小之前的距离，则可以增大主板的分布电容。当静电进来之后，这些分布电容就可以吸收静电能量，从而达到防护作用。

4> 增加ESD防护器件。对于裸露在外接口电路，ESD器件是很必要的。像USB口、电源口、电池连接器等，都是要重点防护的地方。这些地方增加ESD防护器件是必要的。也可以预留位置，在需要的时候贴上去。主要就是对ESD能量进行泄放。ESD器件主要包括TVS管、稳压管、压敏电阻等。相对来讲，ESD静电管性能最佳，响应速度最快，近几年也被大面积使用。而在一些接口处，对电流要求不高，比如ADC/GPIO等，可以通过串电阻的方式来增强ESD性能。

ESD问题，在设计之初就要考虑进去，这样在后期才能有的放矢的解决。即便出于成本考虑，设计初不想添加ESD器件，也要在必要的部位预留位置，以便后边做优化。因为ESD带来的问题，大部分是不可恢复的，对重要器件产生的伤害，成本要远高于静电器件的处理。切记，在设计之初能规避的问题，成本是最小的！

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