ESD防护与电路设计经验

ESD 防护与电路设计

陶显芳

2013.04.10

静电的产生与防护GB/T17626.2 IEC61000-4-2

物体B

两种不同性质的物体接触在一起，因原子外层电子的能级不同，在其接触的界面处就会产生接点电位差，并产生势垒电荷；当把接触在一起的两种物体进行分离时，两个物体都会带电，这种带电称为静电。由于绝缘体中被极化带电的分子来不及中和，所以绝缘体带电要比导体严重。

带电物体通过电场的作用，会对其周边的物体产生感应，使周边物体产生极化带电；在电场不断产生变化的时候，如果极化带电变化的速度跟不上电场变化的速度，物体就会产生分离带电，即：一个带正电，另一个带负电。很多高分子绝缘材料，其极化带电变化的速度比较慢，所以很容易感应带电，因此，当两种不同性质的高分子绝缘体互相接触后再分离，其带电比其它物质严重，经过

静电抗扰度试验的目的

在天气比较干燥的冬天，

通过皮鞋与地毯摩擦，或不同

材料的衣服互相摩擦，人体很

容易会带上静电，其电压最高

可达15kV。如果人体带上这

个高压静电之后，再触摸一些

敏感电子设备，这些电子设备

中的敏感元器件就很容易被击

穿损坏。右图是电子产品静电

抗扰度试验室的设备配置图，

静电抗扰度试验主要就是模拟

人体带电（静电）对电子产品

的影响或损伤。

静电抗扰度试验一般都称为

ESD（Electro-Static–

discharge，静电释放）。

（a）图1

（b）

静电抗扰度试验要点

静电抗扰度试验的关键设备是静

电放电枪，右图是静电放电枪的工

作原理图，试验时，150P电容被充

上2000V以上的电压（模仿人体带

电），然后通过探头与被测设备的

外壳，输入、输出接口，直接触或

部分接触进行放电；或通过探头与

被测设备内部电路的分布电容，以

及被测设备与地之间的电容产生静

电感应，使设备中的敏感元器件感

应带电；或通过对被测设备周边的

导体进行放电所产生的高频电磁场

对被测设备的干扰，以此方法来检

测设备对静电放电或静电感应的承

受能力。

静电抗扰度试验详解

图2 直接放电工作原理图

上图，A为静电敏感器件，对电子设备进行ESD防护测试就是用一个充了电的电容（模拟人体带电），通过一个探头对设备的接口直接放电，或通过探头与敏感器件之间的分布电容，使敏感器件感应带电，观察电子设备是否被静电击穿损坏，或工作是否正常，以检查电子设备对静电放电的承受能力。

ESD测试电压对不同性能的产品要求各不相同，一般要求分为：2000V、4000V、6000V、8000V等。但有些特殊设备根据用户要求，ESD测试电压可高达30KV。

C03

C01

对ESD

效方法是减小

感应电动势回路的面积及耦合系数，并在敏感器件的每

1

2U U C

K ——耦合系数

M

=

K L

想减小两电路之间磁场相互干扰，最好的方法是减小电

路之间的耦合系数

减小两电流回路的面积，及远离其它电路，或降低工作频

率，两根互相干扰的导体尽量不要互相平行。

图7

ESD放电脉冲尖峰宽度大约只有0.7~1nS，只需一个时常数很小的RC电路（R1和C1）就可以把脉冲的尖峰吸收掉，然后通过R2、TVS、R3的限幅作用，脉冲的主峰就可以下降到V1和V2。V2的大小还要受电子设备公共地与大地的分布电容C02的限制，因此，C02越大越好，加大C02要尽量加大公共地的有效面积。一般IC对V1和V2的要求：V130V，V2 ＜

图8

弦波看成是由无数个幅度不同、宽度非常小的方波进行叠加的结果，然后把一个个方波分别通过网络，并进行分析。这里我们准备用后一种方法进行分析。

我们可以把图1-b波形中，尖峰部分等效成一个幅度为平均值Ua宽度为τ的方波，这个方波的平均值Ua可由尖峰脉冲的幅度Up乘以一个波形系数k得到（k小于1）。如图9所示。

对ESD进行防护的方法是进行静电屏蔽，用屏蔽片来阻挡电场力线的传输，屏蔽片可接地也可以不接地。经屏蔽之后，在屏蔽片与大地之间增加了一个分布电容C02，C02对C012、C03产生的电压起到分压作用，因此，C02与C012、C03之比，越大越好，而C01=C011+C012=2C012（假说C011=C012）。加大C02要尽量加大屏蔽片的有效面积，而减小C01，则应该尽量让A远离测试探头和机壳，并把敏感器件A置于公共地的包围圈之中。

ESD ESD防护经验点滴防护经验点滴

ESD属于共模浪涌放电，如果设备内部电路不接大地，一般采用TVS器件对电子产品中的敏感器件进行ESD防护，作用并不是很大，对ESD防护最有效是采用静电屏蔽。 一般，电子设备的体积越大，ESD测试就越容易过关，主要原因是线路板的导电面积越大，其分布电容也越大，静电在进行电荷转移时，在同样的电位的条件下，需要的电荷就会增加；而一些体积较小的便携式小型电子产品（如手机），ESD测试可能比较难过关，不过，对小型电子产品进行静电屏蔽也比较容易，只需在机壳上面贴一层薄薄的导电薄膜（或涂一层可导电的油漆）即可，因此，静电屏蔽是小型电子产品对付ESD比较常用的方法。

人体从户外走进户内，立刻就会带上50～100伏的静电，因为人体穿的衣服在地表面的电场中很容易被极化带电；我们穿的衣服互相摩擦时，也很容易产生高压静电；电风扇或空调吹出的气体与周边物体产生摩擦时，物体和气体也会产生高压静电。这种高压静电一般都在800~8000V之间，这对MOSE-IC而言是一种极大的威胁，因此，在对电子产品装配或操作的过程中，不要随便用手或带电物体触及IC。

当人体需要触及IC时，人体最好要穿上防静电的衣服，并且衣服要通过导线与大地连接；或者带上防静电的手套，手套也要通过导线与大地连接。平时IC必须要装在屏蔽合中进行保管。