静电放电(ESD)设计

干扰发射
敏感度
/
传导
电 信天 源 号线 线 控端
制口 线
辐射
电
磁
场
场
传导
电源线/信号线
天
射
瞬
线
频
态
端 口
辐射
电磁 静 电
场场 放 电
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企业EMC战略
协同 研发
资料 保存
需求 预测
法规 要求
技术 升级
问题 追踪
流程作业
认证 申请
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无线产品ESD防护设计概述
用户接触的区域，如按键和I/O口易于受到ESD影响，因此需要保护。
一种简单技术就是把电容放置于通信线来吸收ESD脉冲，它减低了信号 速率Hale Waihona Puke Baidu增加了驱动电流消耗。
可以在板上采用放电器(spark gap)，放电器设计保证在ESD脉冲过程熔 断，电流被分流引入大地。然而这种技术占用较大的空间面积，老化后 导致ESD防护不可靠。
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IEC 61000-4-2 Standard
IEC 61000-4-2 “Contact Discharge” Test Configuration
Dual Polarity ESD Pulse Generator
(150 pF capacitor discharging through 330 ohm resistor)
Terminal A
System Under Test
Terminal B
Discharge from 150 pF capacitor through 330 ohm resistor
20 ESD pulses
10 positive, 10 negative
Used for system characterization
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静电荷的产生
ABS：树脂
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Nylon
+++++++++++++
Nylon
摩擦
+++++++++++++
-----------
U1
ABS
分离
----------ABS
U1 = 100V C =10pF Q = CU = 1nAs
•分离减小了电容，增加了电压 •充电后的物体会把电荷转移到其它物体上 •分离的速度越高，电压越高
ESD问题不断增加
电路/系统
过去 - 稳固的 ICs 和低速信号 现在 - 敏感的 ICs 和高速信号
环境
过去 - 制造 / 公司 现在 - 家庭 / 室外 / 个人
在ESD测试中可能会损坏一些器件
ASIC 无源器件 半导体装置 RF功放
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在这种情况下，节电器件供电脚上的电压将下降到零 (ground)，任何进入ESD网络的信号将使与供电脚相连的二 极管正向偏置，导致电流长时间的流过二极管，引起电池泄 漏或系统的损坏。
在这种情况下，必须保证与电源相连的二极管在节电状态不 吸收电流，这可通过放置一个外部二极管来实现。
电容吸收ESD脉冲，在节电状态时，外部二极管关闭；这 时，它不再吸收电流到ESD网络。整个网络只需要一个隔离 二极管，所以成本增加很小。
一些奇怪的失败
施加ESD火花引起
掉话 黑屏 附件的一些奇怪现象
在用户的口袋里、皮带卡子上会使移动台“充电”
通过耳机或头戴式麦克风“放电”（耳朵里会感觉很有意思） 向桌面上的物体或充电器放电 在放电时的强电场作用下，移动台会功能性地失常
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Contact Discharge
Air Discharge
Level
Test Voltage (KV)
Level
Test Voltage (KV)
1
2
1
2
2
4
2
4
3
6
3
8
4
8
4
15
x*
Special
x*
Special
• - "x" is an open level.
• The level has to be specified in the dedicated equipment specification.
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集成二极管防护网络
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优化ESD防护必须注意电路板的设计安装
首先，尽可能地减小ESD脉冲进入点与二极管保护网络之间 的寄生电感，寄生电感将抗拒ESD脉冲电流的快速变化，使 进入二极管网络的ESD电流流入被防护的器件。
C =0.1pF Q = CU = 1nAs U2 = 10kV
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U2
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ESD Issues for the Designer
Must meet ESD specifications Select ESD tolerant components Minimize signal degradation (from R,L & C) Board space / weight / proper design Component cost Assembly cost Lifetime cost (stability) Test the system
MOV(metal oxide varistor)器件在高压时可以断开，可使用在响应时间 较慢的应用中。然而，笨重与大电容使它们不适合防护信号线，另外的 缺点是其老化特性。
对于Zener二极管，尽管能够钳制给定电压下的大电流，但它产生有防 护信号线不需要的寄生电容。
相比之下，连接地和电源端的快速、低容二极管是个很好的方案。它们 可以处理大的峰值电流，具有很小的反向泄漏电流，可以抗多次ESD冲 击而不损坏；它成功地把ESD脉冲从敏感保护器件引开，具有很长的寿 命。然而，每一防护线需要一个二极管对。尽管每个器件的价格很低， 总的安装成本和所需的空间使分离方案不适合。
0
Current Waveform Through a Short - HBM
Rise Time: 2 nS < Tr <10 nS
100
200
300
400
Time (nS)
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500
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IEC 61000-4-2 Test Levels
另一个方法是在人体与器件之间放置一块金属挡板。当然，这个金属挡 板与器件之间必须有良好的绝缘，使它与器件之间不会发生放电。这 时，静电放电事件是向金属板注入电荷，而不是器件。
无论使用哪种屏障，静电场的问题都不能解决。使用金属挡板时的不同 点是，当放电发生后，电场是在挡板和器件之间，而不是在人体和器件 之间。
静电放电(ESD)设计
王洪博，高级工程师，副主任 无线通信及安全与电磁兼容实验室
工业和信息化部电信研究院 Tele: 010-62304633-2018; FAX: 010-62304793
Email: wanghongbo@catr.cn http://www.emcite.com/
一、ESD问题
整个网络只要单个电容就可以。它不仅仅是限制电压，也限制流往后面 的电流。如果被防护的器件对锁存现象较敏感，通过插入电阻限制输入 电流，限制电流等于防护电压除以插入电阻。
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优化ESD防护必须注意电路板的设计安装
第三，设计者必须仔细考虑各种系统电源方案。在一些应用 中，通信通道的一端在工作状态，而另一端在节电状态。
EEMMCC设设计计验验证证
--IInn hhoouussee pprree--ssccaann --EEMMII//EESSDD ddeebbuugg --LLaayyoouutt mmooddiiffyy --SSaaffeettyy cchheecckk
EEMMCC验验证证
--IInn hhoouussee ssccaann --33＇＇rrdd LLaabb.. ssccaann --EEMMII//EESSDD VVeerriiffyy --LLaayyoouutt mmooddiiffyy
Air discharges used where contact discharge cannot be applied
No implied equivalence in test severity between the two test methods
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• If higher voltages than those shown are specified, special test equipment may be needed.
Contact discharge is the preferred test method - air discharges are not repeatable
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EMC设计流程
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EEMMCC设设计计审审查查
--SScchheemmaattiicc cchheecckk --PPllaacceemmeenntt rreevviieeww --LLaayyoouutt rreevviieeww
iiff nneeeedd --SSaaffeettyy DDOOCC
EEMMCC确确认认
--EEMMII//EESSDD ccoonnffiirrmmaattiioonn --EEMMCC CCeerrttiiffiiccaattiioonn --SSaaffeettyy CCeerrttiiffiiccaattiioonn
内容提要
二、ESD防护设计的通用原则
三、TVS器件及使用方法
四、无线便携式产品的ESD防护设计
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MHTML 文档
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电磁兼容标准的内容
电磁兼容标准
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“Contact” v. “Air” discharge
Different levels Different applications
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ESD Current Waveform
8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 -
Microsoft Word Microsoft Word
Document
Document
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解决电荷注入问题的方法
解决电荷注入问题的一个方法是在人体和电子器件之间放置一块绝缘屏 障。只要这个屏障不被击穿，就不会发生放电。
对此，设计者应该把二极管网络放置在电感与被防护器件之 间，这在两个方面改善了ESD防护性能：电感抗拒了电流的 快速变化，并在时间上扩展，降低了峰值电流；ESD脉冲被 强制先通过二极管网络，进入后面器件的只有很少一部分脉 冲。
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优化ESD防护必须注意电路板的设计安装
其次，应避免电源端上的电感。 如果在网络与旁路电容之间存在大电感的话，网络将不能泄漏ESD脉冲。
导致很高电压、快速上升ESD脉冲进入后面器件，采用尽量靠近二极管 网络电源管脚的串联电容可以避免这个问题。 通常0.1至0.2pF的电容就足够，大电容不一定提供最佳的ESD性能，特 别是串联电感较高时。
RReeggrreessssiioonn
A2
A3
A4
A5
MP
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雷电 NEMP
脉冲电路
常见干扰源
无线通信
ESD
直流电机、变频调速器 感性负载通断
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