ESD(静电放电)事理、模型及防护涨常识了

一、 静电放电（ESD）缘故原由

正常情形下，物体呈现电中性。

而物体会通过摩擦、感应等办法得到电子或者失落去电子，使物体带电。
我们知道绝缘体和导体之间不是绝对的，当能量足够大的时候，就会把绝缘体击穿，从而传导电荷。
物体电荷积累到足够多的时候，就可能把本来不导电的空气击穿，从而泄放电荷，进入新的平衡。
这便是静电放电征象。
常日由于击穿，电阻就会很小，从而造成瞬间大电流。
但这样的静电能量并不高，因此，大电流的持续韶光也很短。

二、静电放电模型及标准

根据特色不同，常日将静电放电模型分为人体模型（HBM)、机器模型（MM）和带电器件模型（CDM）。

目前，欧盟已经做了工业级别的静电防护标准，即IEC61000-4-2，我国的静电标准为GB/T 17626.2-1998，与欧盟标准IEC61000-4-2等同。
下图为静电发生器简图，也是范例的静电放电模型图。

图1 静电发生器简图

首先，左侧直流高压电源通过电阻给电容Cs充电，继而断掉左侧开关，再次打开放电开关，使Cs中的电荷通过Rd放电电阻泄放给待测设备。
在IEC61000-4-2标准下，储能电容Cs为150pF，放电电阻Rd为330 ohm。

而人体模型中，Cs为100pF，Rd为1.5Kohm；机器模型中，Cs为200pF，Rd险些为0 ohm。
可以看出，机器模型中，储能电容的容值更高，就意味着电荷更多，而放电电阻险些为零，则意味着线路阻抗很低。
这样，高电荷低阻抗的放电回路，静电的能力也是最强。
因此，机器模型也被称为“最严厉的人体模型”。
带电器件模型，是在电子产品制造和运输中摩擦、打仗累积的电荷，实际上很难仿照放电过程。
因此也没有形成详细的测试标准。

下图为在人体模型中，人体的静电带电最高电压及环境之间的关系。
我们就可以理解，为什么在北方干燥的冬天，穿着涤纶等合成化纤的衣服，会常常被静电打到，而这时候的静电电压乃至能高达15kv。

图2 人体静电放电电压与环境的关系

根据静电放电模型，IEC61000-4-2仿照静电放电做了相应的静电产生设备——静电发生器，又叫静电枪。
图1便是静电枪的电路。
而基于该标准的静电放电波形图如下图：

图3 静电放电发生器输出电流的范例波形

从图中可以看出，第一尖峰的上升韶光tr=0.7-1ns。
（上升韶光的打算为从10%处上升到90%处所用的韶光。
）电流在此韶光内幅度颠簸巨大，1-30A不等。
而放电能量的频率也从几十Mhz到1Ghz不等，但大多数能量都集中在低频放电区域。

根据人体放电模型，IEC61000-4-2制订了五级的试验等级，包括了4个试验等级和1个开放等级。
一样平常电子产品过的CTA认证，哀求静电等级为3，即打仗6kv，空气8kv。
相应的打仗放电和空气放电的静电枪的枪头是不同的，打仗放电的头是尖头，方便打仗，而空气放电的枪头是圆头。
表1为静电放电试验等级。
图4为静电枪头示意图。

表1 静电放电试验等级

图4 静电放电发生器的放电电极

三、静电的危害

静电放电紧张会对设备产生破坏，紧张可以分为设备永久失落效和暂时失落效两种。

由于静电放电会产生瞬间大电流，因此能量可能会对电路造成危害，直接毁坏器件的正常利用，这就使设备被烧毁，引起永久性的失落效。

另一方面，由于静电中还会存在高频脉冲，这些脉冲引起的磁场通过耦合、辐射等办法，对周围的场造成电磁滋扰，通过缝隙、电路等对器件产生滋扰，导致设备的暂时性失落效。

四、静电防护

既然知道静电造成的危害，就要在设计产品的时候想办法去规避危害。

在处理静电问题的时候，紧张屈服两大方法：堵和疏。
既然静电无法避免产生，那么我们就要对他进行处理。

1、堵

堵，顾名思义，便是严防去世守。
虽然你有静电，但是我不让它进入到我的设备中，这便是堵。
这个问题紧张是构造工程师完成的。
让壳体匹配度更高。

紧张有两点方法：

1> 只管即便减小壳体的缝隙。
让外边的静电没有缝隙进到设备内部造成侵害。

2> 拉大外壳到内部电路的间距。
履历表明，8kv旁边的静电经由5mm的间隔后可完备衰减。

3> 软件上做处理。
我们常常会碰到，ESD把屏打花的情形，这时候就要软件来做变动防止花屏。
针对这个问题，刚入行的时候并不理解。
ESD明明是硬件问题，为什么软件处理之后能好。
以花屏问题为例，可以看出这是暂时失落效的问题。
ESD可能导致屏幕的掌握脚引入噪声，从而引起中断。
这样，通过优化软件代码（比如将中断口的触发条件进行判断，对中断旗子暗记设置持续韶光等），一些不可自动规复的故障可以被避免，可规复的故障概率也可以降落。

2、疏

疏则是让静电找到得当的泄放路径，而不会从器件内部泄放。

紧张可以采纳如下方法：

1> 要只管即便担保完全的地平面。
完全的地平面不但可以降落噪声滋扰等辐射之外，还可以增强ESD性能。
大的地平面有助于静电泄放，同时降落静电场产生的影响。

2> 增大表层地的露铜区域。
这样有利于外部静电通过表面露出的地直接导入板子主地，完成大面积泄放。

3> 减小电源层与地平面的间隔。
我们知道，静电无非是能量，而能量可以通过储能元件来接管。
平板电容器的公式如下：

个中，为介电常数，d为两个平行板之间的间隔，S为平行板的面积。

由公式可以看出，减小两个平行板之间的间隔，便是增大电容器的电容值。

电源层和地平面可以构成一个平行板电容器，减小之前的间隔，则可以增大主板的分布电容。
当静电进来之后，这些分布电容就可以接管静电能量，从而达到防护浸染。

4> 增加ESD防护器件。
对付袒露在外接口电路，ESD器件是很必要的。
像USB口、电源口、电池连接器等，都是要重点防护的地方。
这些地方增加ESD防护器件是必要的。
也可以预留位置，在须要的时候贴上去。
紧张便是对ESD能量进行泄放。
ESD器件紧张包括TVS管、稳压管、压敏电阻等。
相对来讲，ESD静电管性能最佳，相应速率最快，近几年也被大面积利用。
而在一些接口处，对电流哀求不高，比如ADC/GPIO等，可以通过串电阻的办法来增强ESD性能。

ESD问题，在设计之初就要考虑进去，这样在后期才能对症下药的办理。
即便出于本钱考虑，设计初不想添加ESD器件，也要在必要的部位预留位置，以便后边做优化。
由于ESD带来的问题，大部分是不可规复的，对主要器件产生的侵害，本钱要远高于静电器件的处理。
牢记，在设计之初能规避的问题，本钱是最小的！

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