ESD電流路徑的分析

好像任何一個(gè)行業(yè)的EMC都離不開(kāi)ESD測(cè)試，ESD問(wèn)題排查中，最重要最難的無(wú)疑是靜電路徑問(wèn)題了。本次就和大伙稍微探討下ESD電流路徑的分析，哪怕在為大家排查靜電問(wèn)題的時(shí)候提供一絲絲有益的思路，我就覺(jué)得沒(méi)有白寫(xiě)。

靜電波形

在試驗(yàn)室，通常使用電容加電阻的方式來(lái)模擬人體或其他金屬尖端的靜電效應(yīng)，由于不同行業(yè)可能有不同的放電模型要求。本人僅從汽車電子的角度來(lái)分析靜電放電模型（消費(fèi)電子好像是同一個(gè)模型？因?yàn)檫@兩行業(yè)最重要的靜電源頭都來(lái)自于人體放電），汽車電子的放電模型在IEC 61000-4-2中有明確規(guī)定，放電模型決定了靜電放電電流波形，IEC中的靜電放電波形如下圖所示。

靜電電流頻譜分布

實(shí)際上靜電放電效應(yīng)可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為電容通過(guò)電阻放電的效應(yīng)。都是在前段極短的時(shí)間內(nèi)上升到高點(diǎn)，后慢慢減小。上升時(shí)間大概為1ns，持續(xù)大約為60ns。該波形確實(shí)可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式進(jìn)行標(biāo)明，但是比較復(fù)雜，本文只注重結(jié)果，所有不進(jìn)行表述。該數(shù)學(xué)公式可以通過(guò)傅里葉變換得到靜電電流的頻譜。如下圖所示。

可見(jiàn)，靜電最大的能量還是集中在直流分量上面。頻譜分布從直流到1GHz，因此靜電的電路路徑會(huì)比較復(fù)雜。從傳導(dǎo)到輻射，都有。但是靜電99%的能量都集中在300MHz之前。因此，對(duì)于過(guò)高頻率的路徑我們可以忽略不計(jì)，將注意力集中在分析300MHz帶寬的路徑上面。大部分的汽車電子產(chǎn)品在進(jìn)行靜電放電測(cè)試時(shí)，都是通過(guò)電源負(fù)極對(duì)靜電電流進(jìn)行回流（通過(guò)金屬外殼回流的一般風(fēng)險(xiǎn)也比較小，本文不闡述）。正是因?yàn)殪o電的電流頻譜很寬，因此，要完全把握靜電電流的路徑非常困難，一般要借助二維場(chǎng)求解器。

但是在設(shè)計(jì)前期，必須要考慮到所有靜電放電點(diǎn)到電源負(fù)極的直流路徑，為靜電的直流分量提供一條低阻抗的路徑，避免該直流分量引起共阻抗耦合的風(fēng)險(xiǎn)?。×硗庠陟o電風(fēng)險(xiǎn)比較高的走線，必須在板內(nèi)放置濾波電容，1nF的貼片電容是比較合適的值（因?yàn)橹C振點(diǎn)在300MHz左右，對(duì)于靜電整個(gè)頻段都有較好的濾波效果）。還有，對(duì)于靜電電流產(chǎn)生的輻射場(chǎng)導(dǎo)致的問(wèn)題，非常難于把控，我自己也無(wú)法準(zhǔn)確說(shuō)出該類問(wèn)題的輻射源頭。但是基本上是由于高頻分量路徑過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致。

仿真和芯片靜電等級(jí)

另外，產(chǎn)品的靜電風(fēng)險(xiǎn)是比較容易進(jìn)行仿真的一個(gè)項(xiàng)目，我們只要仿真出放電點(diǎn)到預(yù)設(shè)泄放安全點(diǎn)的阻抗-頻率曲線和放電點(diǎn)到被害點(diǎn)（敏感芯片管腳或信號(hào)）的阻抗-頻率曲線，這兩個(gè)阻抗進(jìn)行比較，就能夠得出到達(dá)被害點(diǎn)的靜電能量，以評(píng)估該放電點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)仿真還是比較準(zhǔn)確，比較有設(shè)計(jì)參考意義的。建議靜電設(shè)計(jì)有難度的產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)展。當(dāng)然，當(dāng)產(chǎn)品已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)之后，也可以使用網(wǎng)分或阻抗分析儀對(duì)放電點(diǎn)和泄放點(diǎn)之間進(jìn)行測(cè)試，如滿足一定的阻抗-頻率曲線（每個(gè)公司都有該曲線的不同理解，需要根據(jù)產(chǎn)品情況進(jìn)行進(jìn)行約束），則該放電點(diǎn)的靜電風(fēng)險(xiǎn)很低。

最后，需要注意的是芯片的datasheet中一般會(huì)指出該芯片能夠滿足的靜電放電等級(jí)，一般標(biāo)明的是HBM（人體放電模型）和CDM（帶電體放電模型），這兩個(gè)模型都是為了衡量芯片在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中可能遇到的ESD風(fēng)險(xiǎn)，不適用于產(chǎn)品在日常使用過(guò)程中可能遇到的靜電問(wèn)題。這兩個(gè)模型和IEC中的模型是不同的。但是基本上可以將IEC的模型認(rèn)為是HBM模型和CDM模型的疊加。因此，芯片上標(biāo)明的ESD等級(jí)不能夠等同試驗(yàn)中測(cè)試的等級(jí)，IEC的模型是更加嚴(yán)酷的。

審核編輯：湯梓紅