導讀

隨著電子設備集成度的不斷提高，靜電放電（ESD）對電路的干擾和破壞愈發嚴重，成為影響設備可靠性的關鍵因素。本文探討了ESD的成因、危害及防護方法。

現在各類電子產品的功能越來越強大，而電路板卻越來越小，集成度越來越高，或多或少都裝有部分接口用于人機交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。一般電子產品中需要進行ESD防護的有：USB接口、HDMI接口、電源接口、以太網接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、MIPI接口、按鍵、SIM卡、耳機、4G/5G接口、 觸摸接口及其他各類數據傳輸接口。現代半導體器件的規模越來越大，工作電壓越來越低，ESD對于電路引起的干擾、對元器件以及接口電路造成的破壞等問題務必引起高度重視。

下面從靜電的特點、危害和防護等方面進行一些介紹，并給出電源、USB 3.0電路的ESD防護示例，最后對ESD防護器件選型進行一些分享。

什么是靜電？有什么危害？

所謂靜電，就是一種處于靜止狀態的電荷或者說不流動的電荷（流動的電荷就形成了電流）。當電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了靜電，而電荷分為正電荷和負電荷兩種，也就是說靜電現象也分為兩種即正靜電和負靜電。當正電荷聚集在某個物體上時就形成了正靜電，當負電荷聚集在某個物體上時就形成了負靜電，但無論是正靜電還是負靜電，當帶靜電物體接觸零電位物體（接地物體）或與其有電位差的物體時都會發生電荷轉移，就是我們日常見到的火花放電現象。例如北方冬天天氣干燥，人體容易帶上靜電，當接觸他人或金屬導電體時就會出現放電現象。人會有觸電的針刺感，夜間能看到火花，這是化纖衣物與人體摩擦，人體帶上正靜電的原因。

靜電并不是靜止的電，是宏觀上暫時停留在某處的電。人在地毯或沙發上立起時，人體電壓也可高達1萬多伏，而橡膠和塑料薄膜表面的靜電更是可高達10多萬伏。

1. 特點

ESD可形成高電位、強電場、瞬時大電流，大多數情況下ESD過程往往會產生的瞬時脈沖電流強度可達到幾十安培甚至上百安倍。

在ESD過程會產生強烈的電磁脈沖輻射，這種電磁脈沖上升時間極快、持續時間極短。

2. 危害

ESD對電子設備的危害主要有兩種機理，其一是ESD電流直接流過電路造成破壞，另一種是ESD電流產生的電磁場通過近場的電容耦合、電感耦合或遠場的空間輻射耦合等途徑對電路造成干擾。

ESD可能引起易燃易爆物的起火或爆炸，也可能導致電子元件被擊穿或失效。隨著微電子技術的快速發展，靜電危害已成為微電子器件的重要破壞源。靜電防護問題越來越被關注，而ESD防護領域也日漸廣泛。

靜電防護

靜電防護，一方面要在原理圖設計時考慮靜電釋放，另一方面，在PCB設計的時候也需要考慮靜電因素。

1. 原理圖設計

阻止靜電的產生和積累，消除ESD源；

隔離導體，阻止放電；

為ESD電流提供替換通道，使其旁路；

屏蔽電路，阻止ESD產生的電磁干擾耦合到電路或設備；

通過選擇抗靜電級別較高的器件，設計合理的工藝和電路來增強系統的抗干擾能力。

2. PCB設計要點

PCB板邊與其他布線之間的距離應大于0.3mm；

PCB的板邊最好用GND網絡包圍，并間隔100~300mil打一個縫合孔；

重要的信號線如Reset、Clock等與其他布線之間的距離最好要滿足3W規則，有空間條件的話包地更好；

大功率的線與其他布線之間的距離保持在0.2mm以上；

ESD、TVS等保護器件布局應該盡量靠近接口，并且在GND管腳附近多打過孔；

鋪地時應盡量避免尖角，有尖角的地方應盡量使其平滑。

常見電路應用案列

1. 電源電路的ESD設計

致遠電子工控板為滿足在工業環境下的防護等級要求，在輸入端做了一系列的保護，參考電路如圖1所示。

圖1 輸入電源電路

該電路的RT1自恢復保險絲提供過流、短路保護，D1、D3、D4、D5組成防反接電路，RV1壓敏電阻和D2氣體放電管組成一級浪涌防護，D3的TVS瞬態抑制二極管為二級浪涌保護和靜電泄放，T2共模電感作為一級浪涌和二級浪涌的退耦器件，同時抑制共模干擾，大容量電容C3可避免浪涌回落時一級電源欠壓保護或負壓損壞一級電源芯片，C2、C7、L1組成的π型濾波電路可抑制差模干擾。客戶可針對性增加或者刪減，以適應于不同的應用場景。

2. USB的ESD參考電路設計

USB3.0參考電路如圖2所示。

圖2 USB3.0參考電路

USB3.0接口的ESD電路設計主要是在接口處放置ESD保護器件LXES1UTAA1-157,0402 和 TPD4EUSB30DQAR,DQA-10。兩個ESD保護器件的關鍵參數分別如圖3和圖4所示。

圖3 LXES1UTAA1-157 ESD參數

圖4 TPD4EUSB30DQAR ESD參數

這里需要特別注意的是,，對于高速信號的ESD保護器件選型需要選擇結電容小的，此值越小，對保護電路的信號傳輸影響越小，硅半導體ESD管的結電容通常在PF級。

在設計的時候也要考慮寄生電容和寄生電感，因為這些器件主要應用于數據線上，因此寄生電容可能導致數據線總線電容變大，總線電容增大將會導致數據信號波形上升和下降沿發生變化，影響數據的速率；寄生電感不會導致信號波形變化，但是因為防護器件是將過多的能量很快泄放到地平面，而這些信號是瞬間高速信號，所以引腳的寄生電感將會阻礙這些變化，影響數據有效性。

ESD靜電二極管選型指南

ESD二極管的截止電壓要大于電路中最高工作電壓；

脈沖峰值電流IPP和最大鉗位電壓VC的選擇，要根據線路上可能出現的最大浪涌電流來選擇合適IPP的型號，需要注意的是，此時的VC應小于被保護IC管腳所能耐受的最大峰值電壓；

用于信號傳輸電路保護時，一定要注意所傳輸信號的頻率和傳輸速率，當信號頻率或傳輸速率較高時，應選用低電容系列的ESD二極管；

根據電路設計布局及被保護線路數選擇合適的封裝。