ESD(靜電放電)原理、模型及防護(hù)，漲知識(shí)了

時(shí)間：2020-01-06作者：深圳市辰儀科技有限公司瀏覽：1244

一、 靜電放電（ESD）原因

正常情況下，物體呈現(xiàn)電中性。而物體會(huì)通過(guò)摩擦、感應(yīng)等方式獲得電子或者失去電子，使物體帶電。我們知道絕緣體和導(dǎo)體之間不是**的，當(dāng)能量足夠大的時(shí)候，就會(huì)把絕緣體擊穿，從而傳導(dǎo)電荷。物體電荷積累到足夠多的時(shí)候，就可能把本來(lái)不導(dǎo)電的空氣擊穿，從而泄放電荷，進(jìn)入新的平衡。這就是靜電放電現(xiàn)象。通常由于擊穿，電阻就會(huì)很小，從而造成瞬間大電流。但這樣的靜電能量并不高，因此，大電流的持續(xù)時(shí)間也很短。

二、靜電放電模型及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)特征不同，通常將靜電放電模型分為人體模型（HBM)、機(jī)器模型（MM）和帶電器件模型（CDM）。

目前，歐盟已經(jīng)做了工業(yè)級(jí)別的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61000-4-2，我國(guó)的靜電標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17626.2-1998，與歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2等同。

首先，左側(cè)直流高壓電源通過(guò)電阻給電容Cs充電，繼而斷掉左側(cè)開關(guān)，再次打開放電開關(guān)，使Cs中的電荷通過(guò)Rd放電電阻泄放給待測(cè)設(shè)備。在IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)下，儲(chǔ)能電容Cs為150pF，放電電阻Rd為330 ohm。

而人體模型中，Cs為100pF，Rd為1.5Kohm；機(jī)器模型中，Cs為200pF，Rd幾乎為0 ohm?？梢钥闯?，機(jī)器模型中，儲(chǔ)能電容的容值較高，就意味著電荷更多，而放電電阻幾乎為零，則意味著線路阻抗很低。這樣，高電荷低阻抗的放電回路，靜電的能力也是較強(qiáng)。因此，機(jī)器模型也被稱為“較嚴(yán)酷的人體模型”。帶電器件模型，是在電子產(chǎn)品制造和運(yùn)輸中摩擦、接觸累積的電荷，實(shí)際上很難模擬放電過(guò)程。因此也沒(méi)有形成具體的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)靜電放電模型，IEC61000-4-2模擬靜電放電做了相應(yīng)的靜電產(chǎn)生設(shè)備——靜電發(fā)生器，又叫靜電槍。

根據(jù)人體放電模型，IEC61000-4-2制定了五級(jí)的試驗(yàn)等級(jí)，包括了4個(gè)試驗(yàn)等級(jí)和1個(gè)開放等級(jí)。一般電子產(chǎn)品過(guò)的CTA認(rèn)證，要求靜電等級(jí)為3，即接觸6kv，空氣8kv。相應(yīng)的接觸放電和空氣放電的靜電槍的槍頭是不同的，接觸放電的頭是尖頭，方便接觸，而空氣放電的槍頭是圓頭。表1為靜電放電試驗(yàn)等級(jí)。

三、靜電的危害

靜電放電主要會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞，主要可以分為設(shè)備*失效和暫時(shí)失效兩種。

由于靜電放電會(huì)產(chǎn)生瞬間大電流，因此能量可能會(huì)對(duì)電路造成損害，直接破壞器件的正常使用，這就使設(shè)備被燒毀，引起*性的失效。

另一方面，由于靜電中還會(huì)存在高頻脈沖，這些脈沖引起的磁場(chǎng)通過(guò)耦合、輻射等方式，對(duì)周圍的場(chǎng)造成電磁干擾，通過(guò)縫隙、電路等對(duì)器件產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致設(shè)備的暫時(shí)性失效。

四、靜電防護(hù)

既然知道靜電造成的危害，就要在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候想辦法去規(guī)避危害。

在處理靜電問(wèn)題的時(shí)候，主要遵從兩大方法：堵和疏。既然靜電無(wú)法避免產(chǎn)生，那么我們就要對(duì)他進(jìn)行處理。

1、堵

堵，顧名思義，就是嚴(yán)防死守。雖然你有靜電，但是我不讓它進(jìn)入到我的設(shè)備中，這就是堵。這個(gè)問(wèn)題主要是結(jié)構(gòu)工程師完成的。讓殼體匹配度較高。

主要有兩點(diǎn)方法：

1> 盡量減小殼體的縫隙。讓外邊的靜電沒(méi)有縫隙進(jìn)到設(shè)備內(nèi)部造成傷害。

2> 拉大外殼到內(nèi)部電路的間距。經(jīng)驗(yàn)表明，8kv左右的靜電經(jīng)過(guò)5mm的距離后可完全衰減。

3> 軟件上做處理。我們經(jīng)常會(huì)碰到，ESD把屏打花的情況，這時(shí)候就要軟件來(lái)做更改防止花屏。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，剛?cè)胄械臅r(shí)候并不理解。ESD明明是硬件問(wèn)題，為什么軟件處理之后能好。以花屏問(wèn)題為例，可以看出這是暫時(shí)失效的問(wèn)題。ESD可能導(dǎo)致屏幕的控制腳引入噪聲，從而引起中斷。這樣，通過(guò)優(yōu)化軟件代碼（比如將中斷口的觸發(fā)條件進(jìn)行判斷，對(duì)中斷信號(hào)設(shè)置持續(xù)時(shí)間等），一些不可自動(dòng)恢復(fù)的故障可以被避免，可恢復(fù)的故障概率也可以降低。

2、疏

疏則是讓靜電找到合適的泄放路徑，而不會(huì)從器件內(nèi)部泄放。

主要可以采取如下方法：

1> 要盡量保證完整的地平面。完整的地平面不但可以降低噪聲干擾等輻射之外，還可以增強(qiáng)ESD性能。大的地平面有助于靜電泄放，同時(shí)降低靜電場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

2> 增大表層地的露銅區(qū)域。這樣有利于外部靜電通過(guò)表面露出的地直接導(dǎo)入板子主地，完成大面積泄放。

3> 減小電源層與地平面的距離。我們知道，靜電無(wú)非是能量，而能量可以通過(guò)儲(chǔ)能元件來(lái)吸收。

其中，ε為介電常數(shù)，d為兩個(gè)平行板之間的距離，S為平行板的面積。

由公式可以看出，減小兩個(gè)平行板之間的距離，就是增大電容器的電容值。

電源層和地平面可以構(gòu)成一個(gè)平行板電容器，減小之前的距離，則可以增大主板的分布電容。當(dāng)靜電進(jìn)來(lái)之后，這些分布電容就可以吸收靜電能量，從而達(dá)到防護(hù)作用。

4> 增加ESD防護(hù)器件。對(duì)于裸露在外接口電路，ESD器件是很必要的。像USB口、電源口、電池連接器等，都是要重點(diǎn)防護(hù)的地方。這些地方增加ESD防護(hù)器件是必要的。也可以預(yù)留位置，在需要的時(shí)候貼上去。主要就是對(duì)ESD能量進(jìn)行泄放。ESD器件主要包括TVS管、穩(wěn)壓管、壓敏電阻等。相對(duì)來(lái)講，ESD靜電管性能較佳，響應(yīng)速度較快，近幾年也被大面積使用。而在一些接口處，對(duì)電流要求不高，比如ADC/GPIO等，可以通過(guò)串電阻的方式來(lái)增強(qiáng)ESD性能。


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