分析ESD保護電路設計工程經(jīng)驗

來自人體、環(huán)境甚至電子設備內部的靜電對于精密的半導體芯片會造成各種損傷,例如穿透元器件內部薄的絕緣層;損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極;CMOS器件中的觸發(fā)器鎖死;短路反偏的PN結;短路正向偏置的PN結;熔化有源器件內部的焊接線或鋁線。為了消除靜電釋放(ESD)對電子設備的干擾和破壞,需要采取多種技術手段進行防范。

在PCB板的設計當中,可以通過分層、恰當?shù)牟季植季€和安裝實現(xiàn)PCB的抗ESD設計。在設計過程中,通過預測可以將絕大多數(shù)設計修改僅限于增減元器件。通過調整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。

幾種典型的通用ESD保護電路

CAN Bus保護

數(shù)據(jù)線及接口保護

分享個人的ESD保護9大措施

最近在做電子產品的ESD測試，從不同的產品的測試結果發(fā)現(xiàn)，這個ESD是一項很重要的測試：如果電路板設計的不好，當引入靜電后，會引起產品的死機甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會損壞元器件，沒有想到，對于電子產品也要引起足夠的重視。

ESD，也就是我們常說的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學習過的知識中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過接觸、摩擦、電器間感應等方式產生，其特點是長時間積聚、高電壓(可以產生幾千伏甚至上萬伏的靜電)、低電量、小電流和作用時間短的特點。對于電子產品來說，如果ESD設計沒有設計好，常常造成電子電器產品運行不穩(wěn)定，甚至損壞。

在做ESD放電測試時通常采用兩種方法：接觸放電和空氣放電。

接觸放電就是直接對待測設備進行放電;空氣放電也稱為間接放電，是強磁場對鄰近電流環(huán)路耦合產生。這兩種測試的測試電壓一般為2KV-8KV，不同地區(qū)要求不一樣，因此在設計之前，先要弄清楚產品針對的市場。

以上兩種情況是針對人體在接觸到電子產品時，因人體帶電或其他原因引起電子產品不能工作而進行的基本測試。下圖是一些地區(qū)在一年中不同月份的空氣濕度統(tǒng)計。從圖中可以看出Lasvegas全年的濕度最少，該地區(qū)的電子產品要特別注意ESD的保護。

全球各地的濕度情況不一樣，但是同時在一個地區(qū)，若空氣濕度不一樣，產生的靜電也不相同。下表是搜集到的數(shù)據(jù)，從中可以看出靜電隨著空氣濕度的減小而變大。這也間接的說明北方的冬天，脫毛衣時產生的靜電火花很大的原因。

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既然靜電這么大的為危害，我們如何進行防護呢？我們在進行靜電防護設計時通常分三步走：防止外部電荷流入電路板而產生損壞；防止外部磁場對電路板產生損壞；防止靜電場產生的危害。

在實際電路設計中我們會采用以下幾種方法的一種或幾種來進行靜電保護：

1、雪崩二極管來進行靜電保護

這也是設計中經(jīng)常用到的一種方法，典型做法就是在關鍵信號線并聯(lián)一雪崩二極管到地。該法是利用雪崩二極管快速響應并且具有穩(wěn)定鉗位的能力，可以在較短的時間內消耗聚集的高電壓進而保護電路板。

2、使用高壓電容進行電路保護

該做法通常將耐壓至少為1.5KV的陶瓷電容放置在I/O連接器或者關鍵信號的位置，同時連接線盡可能的短，以便減小連接線的感抗。若采用了耐壓低的電容，會引起電容的損壞而失去保護的作用。

3、采用鐵氧磁珠進行電路保護

鐵氧磁珠可以很好的衰減ESD電流，并且還能抑制輻射。當面臨著兩方面問題時，一個鐵氧磁珠會時一個很不錯的選擇。

4、火花間隙法

這種方法是在一份材料中看到的，具體做法是在銅皮構成的微帶線層使用尖端相互對準的三角銅皮構成，三角銅皮一端連接在信號線，另一個三角銅皮連接地。當有靜電時會產生尖端放電進而消耗電能。

5、采用LC濾波器的方法進行保護電路

LC組成的濾波器可以有效的減小高頻靜電進入電路。電感的感抗特性能很好的抑制高頻ESD進入電路，而電容有分流了ESD的高頻能量到地。同時，該類型的濾波器還可以圓滑信號邊緣而較小RF效應，性能方面在信號完整性方面又有了進一步的提高。

6、多層板進行ESD防護

當資金允許的情況下，選擇多層板也是一種有效防止ESD的一種手段。在多層板中，由于有了一個完整的地平面靠近走線，這樣可以使ESD更加快捷的耦合到低阻抗平面上，進而保護關鍵信號的作用。

7、電路板外圍留保護帶的方法保護法

這種方法通常是在電路板周圍畫出不加組焊層的走線。在條件允許的情況下將該走線連接至外殼，同時要注意該走線不能構成一個封閉的環(huán)，以免形成環(huán)形天線而引入更大的麻煩。

8、采用有鉗位二極管的CMOS器件或者TTL器件進行電路的保護

這種方法是利用了隔離的原理進行電路板的保護，由于這些器件有了鉗位二極管的保護，在實際電路設計中減小了設計的復雜度。

9、多采用去耦電容

這些去耦電容要有低的ESL和ESR數(shù)值，對于低頻的ESD來說，去耦電容減小了環(huán)路的面積，由于其ESL的作用使電解質作用減弱，可以更好的濾除高頻能量。

總之，ESD雖然可怕，甚至會帶來嚴重后果，但是，只有保護好電路上電源和信號線，那么就能有效的防止ESD的電流流入PCB中。其中，我老大經(jīng)常說的一句“一個板子的良好接地才是王道”，希望這句話也能給大家?guī)泶蚱铺齑暗男Ч?/p>