一文解析ESD應(yīng)對策略

ESD試驗(yàn)作為EMC測試標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)基本測試項(xiàng)目，如果產(chǎn)品的前期設(shè)計(jì)考慮不足，加上經(jīng)驗(yàn)不夠的話，往往會讓人焦頭爛額。一般中小型企業(yè)，如果沒有專門的EMC工程師，往往這項(xiàng)工作就必須由硬件工程師來承擔(dān)。對于整機(jī)來說，ESD抗擾能力不僅僅來自芯片的ESD耐壓，PCB的布局布線，甚至與工藝結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系。

常見的ESD試驗(yàn)等級為接觸放電：1級——2KV；2級——4KV；3級——6KV；4級——8KV；空氣放電：1級——2KV；2級——4KV；3級——8KV；4級——15KV。本人所處的醫(yī)療電子行業(yè)，產(chǎn)品的ESD試驗(yàn)一般要達(dá)到第3等級，即接觸6KV，空氣8KV。在整機(jī)ESD試驗(yàn)方面，本人也搞過了幾臺不同型號的產(chǎn)品，也算搞出了一點(diǎn)眉目，總體的解決思想是把靜電流向地，現(xiàn)總結(jié)如下。

1.電源加TVS管

特別是對于裸露在外的一些接口，比如USB、VGA、DC、SD卡等，對這些接口進(jìn)行接觸放電時(shí)，靜電很容易就會“串”到電源線上，靜電由本來的共模變成了差模，此時(shí)電源上就會產(chǎn)生一個(gè)很高的尖峰，很多芯片都承受不了，發(fā)生死機(jī)，復(fù)位等問題。對于電源VCC的ESD保護(hù)，可以并接TVS管來解決。TVS管與穩(wěn)壓二極管很相似，都有一個(gè)額定的電壓，不同的是它的響應(yīng)速度特別快，對靜電有很好的泄放作用。例如對于USB接口（見圖1.1、圖1.2），VCC和外殼地之間并接5V的TVS管。相當(dāng)于把電源和地鉗位在5V以內(nèi)，這樣可以有效地把靜電電流導(dǎo)向地，達(dá)到效果很明顯。要注意的是布局布線的時(shí)候，TVS管要盡量靠近接口的位置，TVS的陰極以最近的路徑接到接口的外殼地（如果有的話）。

圖1.1

圖1.2

2.對外接口信號線ESD保護(hù)

對外接口的信號線同樣需要保護(hù)，否則靜電經(jīng)過信號線直接到達(dá)芯片IO管腳，雖然芯片的IO都有二極管保護(hù)，一般可以抵御+-2KV的靜電，但是對于+-6KV的ESD接觸放電，就會遭遇損壞的風(fēng)險(xiǎn)。同樣是USB接口，如圖2.1，差分信號線D+和D-接了個(gè)ESD器件TPD4S012，實(shí)際上是與USB電源和地并接反向二極管，把電流導(dǎo)向USB電源或者地。

圖2.1

3.敏感器件電源添加LC濾波

有些IC特別容易受靜電影響，進(jìn)行ESD試驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)生復(fù)位或者死掉。究其原因，一般都是電源引腳受到干擾。對此可以對其電源添加LC濾波。一般芯片的VDD管腳旁邊都會有一個(gè)去耦電容，但是這個(gè)去耦電容是沒有辦法有效攔截靜電的，甚至是幾十uF的鉭電容并接小電容，效果仍舊不佳。這時(shí)候，如果再串一個(gè)小電感，情況就得到很好的改觀。靜電放電會產(chǎn)生一個(gè)尖峰，同屬于高頻干擾，LC可以很好地將高頻濾除，使通過電感之后的尖峰大大減弱，IC就不容易死機(jī)或者復(fù)位。

本人有一次對整機(jī)EMC整改，ESD試驗(yàn)時(shí)，按鍵控制板的MCU老是復(fù)位。后來用示波器進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)是外部看門狗芯片發(fā)生復(fù)位，導(dǎo)致MCU復(fù)位。于是先在電源上并接TVS管，還是會復(fù)位；再在看門狗芯片VCC管腳旁并接22uF鉭電容，情況好一些，但還是會復(fù)位；最后再串接一個(gè)0.47uH的貼片電容，組成LC濾波（如圖3.1所示）。在+-6KV的ESD接觸放電下，就再也不會復(fù)位，而且工作正常。

圖3.1

4.PCB鋪地要求

PCB要盡可能多的鋪地。如果是雙面板，兩面都要大面積鋪銅，而且還要有足夠的地過孔；如果是四層板或以上，主要元件層的臨近平面層要設(shè)置成地層。比如四層板，如果主要元件在頂層，那么分層為：頂層->地層->電源層->底層；如果主要元件在底層，分層為：頂層->電源層->地層->底層。

5.接地要求

靜電要得到有效釋放，就要保證良好的接地。對于醫(yī)療電子，一般的醫(yī)療電子產(chǎn)品比如監(jiān)護(hù)儀，機(jī)身后面都會有一個(gè)等電位接地端。在做ESD試驗(yàn)的時(shí)候，這個(gè)接地 端也是要接大地的，這樣就有了一個(gè)靜電快速泄放的途徑。如圖5.1，假如主電路板分為三個(gè)模塊：電源板，主控板和接口板，接口板的接口外殼地要和信號地分 開，然后接口板的外殼地和等電位端用粗導(dǎo)線相連。系統(tǒng)的信號地可以從電源板的外殼地與信號地相連然后共用一根粗導(dǎo)線與等電位端相連。之所以沒有采用每塊板 都分別接到等電位端的星形接地方法，是因?yàn)樾切谓拥貢纬山拥丨h(huán)路，從而增加射頻噪聲和容易受電磁干擾。

圖5.1

6.PCB布局布線

從原理圖的設(shè)計(jì)到PCB的布局布線，EMC的設(shè)計(jì)思想就應(yīng)該在深深的腦海里。設(shè)計(jì)出了好的原理圖，如果PCB布局布線不當(dāng)，那么出來的板子是失敗的。如果芯片的去耦電容離芯片的管腳很遠(yuǎn)，那也就失去了去耦的作用。如果敏感信號的走線太長，就會引入意想不到的電磁干擾。在抗ESD方面，敏感的器件或者信號線（如reset）應(yīng)該遠(yuǎn)離PCB邊緣，防止空氣放電直接干擾到器件和信號線。PCB邊緣應(yīng)該留有一定寬度的空隙或者鋪銅。

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