ESD是怎樣產(chǎn)生的？ESD防護(hù)要點(diǎn)

ESD是怎樣產(chǎn)生的？

（1）摩擦、剝離起電；——哪里有運(yùn)動(dòng)，哪里就有靜電！

（2）感應(yīng)起電；

感應(yīng)起電是物體在靜電場的作用下，發(fā)生了的電荷上再分布的現(xiàn)象。比如：一個(gè)設(shè)備加電工作的過程中，產(chǎn)生了一定的電磁場，外圍的物體受場的作用會(huì)感應(yīng)出部分電荷，如顯示器的屏幕帶電現(xiàn)象。而容性起電就比較復(fù)雜了，它是由于已經(jīng)具有一定電荷的帶電體在與另一物體靠近、分離時(shí)。根據(jù)平行板電容公式c= εS/4πkd（S為金屬片的正對(duì)面積，d為兩金屬片間的距離）。系統(tǒng)電容發(fā)生改變，由Q=CV（C為電容，V為電壓）可知，攜帶一定電量的物體或人體上的靜電電位將發(fā)生變化，這就會(huì)導(dǎo)致集成塊等微電子器件的損壞。

利用靜電感應(yīng)原理，使導(dǎo)體帶電的過程。A球原不帶電，帶電的B球使A球電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，在接地情況下，經(jīng)c、e、f等過程使A球帶上電荷，謂之感應(yīng)起電。

（3）電容的改變

lV=Q/C;lC=εA/d

ESD的特點(diǎn)

干燥環(huán)境更易產(chǎn)生靜電:

人體對(duì)靜電的感知:

在3kV時(shí)，你能通過皮膚感知；

在5kV時(shí)，你能聽見；

在10kV時(shí)，你能看見；

靜電放電的特點(diǎn):

高電位：數(shù)百至數(shù)千伏，甚至高達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬伏；（人體對(duì)3kV以下的靜電不易感覺到）

低電量：靜電多為微安級(jí)；（尖端瞬間放電除外）

放電時(shí)間短：一般為微秒級(jí)；一個(gè)ESD瞬態(tài)感應(yīng)電流在小于1ns的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到峰值(依據(jù)IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn))

受環(huán)境影響大：特別是濕度；濕度上升則靜電積累減少，靜電壓下降；

ESD的危害

ESD失效：仿真人體帶8kV靜電放電，放電3次；放大3000倍；

硬損傷和軟損傷

人體靜電可以摧毀任何一個(gè)常用半導(dǎo)體器件。（以前實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)有人裸手拿板，就發(fā)一塊壞板，讓他維修。）

控制ESD：

靜電不能被消除，只能被控制

控制ESD的方法：

堵；

從機(jī)構(gòu)上做好靜電的防護(hù)，用絕緣的材料把PCB板密封在外殼內(nèi)，不論有多少靜電都不能到釋放到PCB上。

導(dǎo)；

有了ESD，迅速讓靜電導(dǎo)到PCB板的主GND上，可以消除一定能力的靜電。

整機(jī)級(jí)的堵和導(dǎo)

1、外殼和裝飾件：金屬以及可導(dǎo)電的電鍍材料等，屬于容易吸引和聚集靜電的材料；ESD要求很高的項(xiàng)目要盡可能避免使用這些材料；

2、必須使用導(dǎo)體材料時(shí)：結(jié)構(gòu)上要事先預(yù)留有效而布局均勻的接地點(diǎn)；一般來說，頂針或者金屬彈片的接地效果優(yōu)于導(dǎo)電泡棉和導(dǎo)電布。

3、無法做接地處理的例如電鍍側(cè)鍵等，需要重點(diǎn)在主板上做特別處理；包括（1）增加壓敏電阻、TVS或者電容等器件；

（2）預(yù)留GND管腳；

（3）板邊露銅吸引靜電放電；

4、外殼上的金屬件，距離器件和走線必須大于2.2mm以上距離；

5、堆疊上避免器件裸露于孔、縫邊；如果無法避免的話，則要在組裝上想辦法堵；常見的做法有粘貼高溫膠帶或者防靜電膠帶等阻隔；所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要留有增加隔離片的空間；

電路板級(jí)的堵和導(dǎo)

1、增大PCB板材面積，以增加GND面積，增強(qiáng)其中和靜電的能力；成本或者差異化的堆疊讓我們做小

2、實(shí)在很小的板子，則必須要有至少一層完整的GND層；并且要能夠跟電池地腳保持良好的連接；我們常常因?yàn)槌杀緹o法做到留出完整的地層。

3、很小的電路板，因?yàn)殡娐钒宓闹泻碗姾赡芰τ邢?，則要多考慮從整機(jī)上“堵”，少考慮“導(dǎo)”；

4、器件選擇上，要選用高耐ESD的器件；靜電保護(hù)器件在選擇時(shí)需要考慮其容性，避免不合適的容性導(dǎo)致其所保護(hù)信號(hào)線的信號(hào)本身的失效；

5、器件擺放時(shí)，容易被ESD影響的器件，盡量罩在屏蔽罩中；

6、屏蔽罩必須保證有效而分布均勻的接地！要較為直接的接到主地上，盲孔直接結(jié)合埋孔；要四周分布均勻地接地；

7、對(duì)IO口和鍵盤等容易暴露的部分電路，必須增加靜電保護(hù)器件；

8、器件擺放上，必須遵守就近釋放的原則，ESD保護(hù)器件應(yīng)靠近IO和側(cè)鍵等擺放；其次是跨在中間路上；避免靠近芯片擺放；這樣能夠減少ESD脈沖信號(hào)進(jìn)入附近線路的瞬態(tài)耦合；雖然沒有直接的連接，但是這種二次輻射效應(yīng)也會(huì)讓其他部分工作紊亂；

9、Layout走線必須遵守有效保護(hù)的原則；走線應(yīng)該從接口處先走到TVS處，然后才能走到CPU等芯片處；遠(yuǎn)遠(yuǎn)地“掛”在信號(hào)線上的靜電保護(hù)器件，會(huì)因?yàn)橐€寄生電感過大而導(dǎo)致保護(hù)失效，讓保護(hù)形同虛設(shè)；

10、TVS管的接地腳與主地之間的連接必須盡可能的短，減小接地平面的寄生電感；

11、TVS器件應(yīng)該盡可能靠近連接器以減少進(jìn)入附近線路的瞬態(tài)耦合。雖然沒有到達(dá)連接器的直接通路，但這種二次輻射效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致電路板其它部分的工作紊亂。?

12、避免在板邊走重要的信號(hào)線；例如時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)；

13、主板上未使用的地方盡可能地鋪成地；并且連接到主地上；多鋪地減小了信號(hào)與地之間的間距，相當(dāng)于減小信號(hào)的回路面積；（該面積越大，所包含的場流量越大，其感應(yīng)電流也越大）

14、需要注意ESD對(duì)地層的直接放電有可能損壞敏感電路。在使用TVS二極管的同時(shí)還要使用一個(gè)或多個(gè)高頻旁路電容器，這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。旁路電容減少了電荷注入，保持了電源與接地端口的電壓差。

15、電源走在主板中間比在板邊好；地布局在板中間比板邊好；

TVS的特性與工作原理

TVS是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因?yàn)槿绱耍琓VS可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。圖中所示為TVS的符號(hào)及伏安特性曲線。

USB

對(duì)于USB接口的應(yīng)用，目前在影音及數(shù)據(jù)處理設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)USB電路時(shí)，通常都會(huì)采用保護(hù)電路設(shè)計(jì)，見下圖所示就是一個(gè)USB口的保護(hù)電路，這個(gè)電路中誤用的就是TVS管。

RS485

RS485作為目前行業(yè)內(nèi)最為最常用的串行差分通訊方式之一，采用平衡發(fā)送，差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力，由于其具有通訊距離長（1200m以上），傳輸速率高（10Mbps），高的信噪比，控制方便，成本低，可以在一個(gè)單獨(dú)的總線上實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)以及能夠使用的收發(fā)器品種多等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越得到用戶的肯定。

但是伴隨著使用頻率的增高，其遇到的問題也日益增加。由于RS485通訊傳輸線通常暴露于戶外，日常生活中雷電和靜電干擾已經(jīng)成為RS485通信總線在實(shí)際工程經(jīng)常遇到的問題，RS485收發(fā)器的工作電壓較低，只有5V，元器件本身的耐壓也較低，通常只有－7V～＋12V，因此雷電等引入的過電壓通常能夠瞬間損壞RS485收發(fā)器，對(duì)通信系統(tǒng)造成遭到嚴(yán)重的毀壞；此外，靜電電磁干擾也嚴(yán)重地影響通信總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

氣體放電管GDT:直流擊穿電壓大于線路中的正常工作電壓，放電管允許的通過電流超過或等于設(shè)計(jì)通過的最大電流即可。

瞬態(tài)抑制二極管TVS：通用信號(hào)傳輸線上TVS的擊穿電壓VBR應(yīng)高于信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)電壓,在此前提下, VBR應(yīng)盡可能選得低一些,較低的VBR可使后端通信芯片得到可靠保護(hù),并且具有較大的通流容量。

GDT的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。TVS選擇根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓。

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，通過高耐壓陶瓷電容，設(shè)計(jì)的吸收電路進(jìn)行防護(hù)。

室外以太網(wǎng)口防護(hù)方案的設(shè)計(jì)思路：

以太網(wǎng)防護(hù)方案的設(shè)計(jì)需要考慮到雷擊浪涌以及陶瓷放電管一級(jí)防護(hù)之后的殘壓，因此一般會(huì)采用GDT在變壓器前端做共模 （八線）浪涌防護(hù)；并選擇結(jié)電容低、反應(yīng)時(shí)間快，兼顧防護(hù)靜電功能的TVS管吸收差模能量。
百兆以太網(wǎng)防護(hù)方案（一）
防護(hù)電路圖：?

陶瓷氣體放電管：
直流標(biāo)稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ。?
直流標(biāo)稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。?
瞬態(tài)抑制二極管TVS管:
TVS【SLUV2.8-4】 Vrwm：2.8V，Vb：3.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV，結(jié)電容（f=1MHz）：2.0pF，封裝：SO-08。?

百兆以太網(wǎng)防護(hù)方案（二）

陶瓷氣體放電管：
GDT 直流標(biāo)稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ。
GDT直流標(biāo)稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管TVS管:
TVSVrwm：3.0V，Vb：4.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV，結(jié)電容（f=1MHz）：1.2pF，封裝：SOD-323。

千兆以太網(wǎng)防護(hù)方案（一）

陶瓷氣體放電管：
GDT直流標(biāo)稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ?
GDT直流標(biāo)稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管：
TVS ? Vrwm：2.V，Vb：3.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：30KV/30KV，結(jié)電容（f=1MHz）：3.0pF，封裝：SOP-08，超低漏電流?

千兆以太網(wǎng)防護(hù)方案（二）

陶瓷氣體放電管：
GDT ?直流標(biāo)稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ?
GDT 直流標(biāo)稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管：
TVS ?Vrwm：3.0V，Vb：4.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV，結(jié)電容（f=1MHz）：1.2pF，封裝：SOD-323。

編輯：黃飛

?