ESD通過傳導干擾造成電路系統(tǒng)不穩(wěn)定問題的分析與解決方法

摘 要：在大自然環(huán)境中，靜電現象隨處可見，由于人體是導體，所以也帶靜電。日常生活中，人們經常會不經意間用手觸摸電子產品，經常會聽到啪的一聲，這就是人體和電子產品發(fā)生了靜電放電現象。由于靜電放電電壓等級會很高，人體靜電很容易影響電子產品的正常使用，嚴重時甚至會損壞電子產品內部的芯片，導致產品無法正常工作。在春季、夏季或冬季，由于空氣濕度較大，靜電容易被空氣中的水分子釋放，所以不容易被人體累積。在冬季，由于空氣干燥，導致靜電極易積累在人體，特別是穿了羽絨服，人體靜電最高可達幾萬伏。電子產品正常的工作電壓不會超過幾十伏，如果上萬伏的電壓瞬間被注入電路板，沒有人和防護的情況下，電路板極可能會被靜電打壞。因此，在做電子產品設計時，必須做靜電防護措施，防止因外部靜電產生的高電壓，以耦合或傳導的方式進入電子產品內部造成設備損壞。靜電對電路系統(tǒng)的影響主要分為兩種途徑，傳導干擾和耦合干擾，也稱之直接干擾和間接干擾。針對不同的干擾類型，應采取不同的解決措施。文中主要介紹傳導干擾對電路系統(tǒng)造成的不穩(wěn)定性，通過簡單實用的方法解決電子產品研發(fā)中遇到的ESD問題。筆者結合項目開發(fā)和多年的實戰(zhàn)研究，根據ESD的影響方式，總結出多種解決ESD問題的方法，主要有：絕緣或隔離受ESD干擾的電路、增加被ESD干擾線路的阻抗、降低電路的電源系統(tǒng)阻抗、通過舜態(tài)電壓抑制管以及通過RC濾波器等。文中擯棄一些空洞的算法、仿真和建模，重點講述解決問題的思路和方法，并取得了很好的實踐效果。

關鍵詞：ESD;傳導干擾;空氣放電;接觸放電;電荷碰撞平衡;靜電

0 引 言

靜電放電是非常普遍的一種自然現象，在人們生活中也時常遇到，如空氣干燥的冬季，身穿棉襖的人手碰到門把、電視機、車鑰匙或手機等時，會聽到啪的一聲，甚至會看到電火花。再比如大家去加油站，手拿油槍前，都會去觸摸加油機上的靜電釋放球，以防止人體靜電引起火災。由于電子產品的內部電路，工作電壓一般不超過12 V，當幾萬伏的靜電后打到電路板，肯定會擊穿電路板的芯片，最終導致整個電子產品無法正常工作。因此，靜電防護是電子產品設計中必須要考慮的環(huán)節(jié)。

人們通過研究后發(fā)現，靜電對電路板的干擾有多種方式，針對不同的干擾方式，應采用不同的解決方法和措施。對于工程研發(fā)人員，解決ESD問題爭取以最低的成本解決靜電的干擾問題。筆者結合項目開發(fā)和多年的實戰(zhàn)研究，根據ESD的影響方式，總結了多種解決ESD問題的方法：絕緣或隔離受ESD干擾的電路、增加被ESD干擾線路的阻抗、降低電路的電源系統(tǒng)阻抗、通過舜態(tài)電壓抑制管以及通過RC濾波器等。本文主要介紹ESD通過傳導干擾引起電路系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因和解決方法。

1 ESD引起電路系統(tǒng)不穩(wěn)定問題的主要途徑

日常生活中，人體靜電放電現象隨處可見，如空氣干燥時玩手機，當用手觸摸到手機的鐵框時，如果聽到啪的一聲，此時人體對手機發(fā)生了ESD放電現象。如果手機沒有做ESD防護，剛才人體對手機的ESD放電可能會導致手機無法正常工作，甚至導致手機被剛才的ESD放電打壞。

靜電放電的過程本質上是電能量的轉移，電能量一般情況下是通過傳導輸出或磁場輻射的方式，從人體被傳送至電子產品，最終干擾了電子產品的正常工作。這兩種傳輸方式也被稱作直接傳輸和間接傳輸，本文主要介紹直接傳輸（也稱為傳導干擾）。

傳導干擾，又稱為直接干擾，指靜電放電產生的大電流直接進入電路板內部。通常情況直接干擾引起的ESD問題都比較嚴重，比如系統(tǒng)重啟、死機等現象，甚至會永久損壞電子設備。我們都知道，相比電子元器件，人體產生的靜電電壓等級會高很多，尤其是在空氣干燥的冬季，人體靜電電壓可能達到15 kV以上。

集成電路又稱為芯片，其內部都是由許多的晶體管構成，一般的電子元器件，其耐壓等級一般不超過幾十伏。當超過這個等級的電壓進入電路板，就有可能對芯片造成永久性損壞。因此在電子產品設計中，ESD防護是非常重要的一個環(huán)節(jié)，是設計中必須要考慮并且解決的。如果不考慮ESD防護問題，當人觸摸電路板時產生靜電放電，如此高的電壓進入到電路系統(tǒng)，就會引起系統(tǒng)許多芯片誤動作，上萬伏的電壓極容易損壞芯片。

圖1所示為靜電傳導干擾的一個典型例子。按鍵S1直接連接到系統(tǒng)CPU的通用I/O口，用做功能檢測。該電路未做任何ESD防護，由于操作人員會經常觸碰該按鍵，因此按鍵容易受到人體ESD的影響。現場反饋，設備的該按鍵在諸多現場都出現了失效現象，對從現場退回來的板卡分析后發(fā)現，該按鍵連接CPU的I/O口被大電壓擊穿了，導致按鍵功能失效。

2 ESD的測試標準

靜電問題對電子產品的影響是至關重要的，因此各個行業(yè)在電子產品在出廠前都有相關的靜電測試標準。如：消費電子行業(yè)要求，所有的消費電子產品出廠必須做靜電測試，測試等級是空氣放電8 kV，接觸放電4 kV;工控行業(yè)要求，工業(yè)控制設備的靜電測試標準為空氣放電15 kV，接觸放電8 kV等。 針對靜電測試的標準當前也比較多，要掌握如何解決電子產品設計中遇到的ESD問題，首先需要對當前針對ESD要求的國際標準有所了解。

（1）靜電測試分為空氣放電和接觸放電兩種，通常情況下，對電路板能接觸到的端口、撥碼、按鍵等應該打接觸放電測試。如果電路板上面不能直接接觸，但是會間接觸摸的器件打空氣放電實驗，如電路板上的長柄按鍵，因其按鍵帽很高，所以需要做空氣放電測試。

（2）表1為GB17626要求的ESD試驗等級，空氣放電和接觸放電的等級會有所不同。

（3）ESD發(fā)生器內部電路原理如圖2所示，特性見表2所列。

（4）靜電發(fā)生器波形特性參數見表3所列。

（5）靜電放電發(fā)生器輸出電流的波形，如圖3所示。

3 ESD傳導干擾的解決方法

3.1 瞬態(tài)電壓抑制方式

TVS（Transient Voltage Suppressor）二極管，又稱為瞬態(tài)抑制二極管，是當前被普遍應用的一種新型高效ESD電路保護器件。該保護器件對ESD的響應時間（小于納秒級）極短，并且浪涌的吸收能力強。當TVS管的兩端受到瞬間的高電壓沖擊時，該保護器件能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，可以吸收瞬間大電流，把兩端的高電壓箝制為預定的低電壓（后級電路承受范圍內），從而保護后級的電子元件不受瞬態(tài)高壓尖峰的沖擊。采用該方法時，電路板的地平面阻抗一定要小，否則TVS泄放的大電流會導致系統(tǒng)出現其他故障。

選擇TVS管時的主要參數包括：響應時間、瞬間功率、最大的結電壓、最大鉗位電流和反向的擊穿電壓等。一般瞬態(tài)抑制二極管主要應用在ESD防護等級高、通信速率快、有可能存在雙向干擾等電路中。

TVS選型注意事項如下。

（1）確定被保護電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電壓，應該計算出電壓的最大值。

（2）若干擾源有可能來自兩個方向的尖峰脈沖電壓（浪涌電壓）沖擊時，TVS管應該選用雙向的，其他情況選用單極性TVS管即可。直流保護一般選用單極性TVS管，交流保護一般選用雙向TVS管，如果需要多路保護，可選用TVS陣列器件，大功率保護選用TVS專用保護模塊。

（3）選擇TVS的VRWM（反向工作峰值電壓）等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計，否則TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，器件面臨被損壞的危險，從而影響電路的工作。

（4）所選TVS管的最大箝位電壓（VC）應小于被保護電路所允許的最大承受電壓。

（5）如果知道比較準確的浪涌電流Ipp，則可利用VcIpp來確定功率。如果無法確定Ipp的大致范圍，則選用功率大些的TVS為好。Pm是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗Pm越大，其浪涌電流的承受能力越大。在給定的功耗Pm下，箝位電壓Vc越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。

（6）TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的，器件規(guī)定的脈沖重復頻率（持續(xù)時間與間歇時間之比）為0.01%。如果電路內出現重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，不然有可能損壞TVS。

（7）確定了TVS的最大箝位電壓Vc后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。

（8）對于一些高速信號，在選型TVS管時除了注意其通信速率外，還應注意TVS管的結電容是否可以滿足要求。

（9）TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，所選的TVS的反向擊穿電壓應當大于1.8～2倍的受保護電路的工作電壓。當TVS應用在通信信號回路時，所選的TVS的反向擊穿電壓應當等于1.2～1.5倍的受保護電路的工作電壓。

選擇TVS管最重要的標準就是看其泄放功率，筆者在此介紹一種快速的計算方法來確定所選TVS功率。假如所防護的靜電等級為8 kV，波形曲線為1 ns/60 ns。根據ESD電壓等級，可確定ESD產生的電流約為25 A（8 kV/330 Ω，其中330 Ω為ESD發(fā)生器內阻），假如所選TVS管的殘壓為46 V，則該TVS的功率應大于1.1 kW（波形在1 ns/60 ns）。該數據可在TVS規(guī)格書中查詢，比如常用的SMBJ28CA管，其功率/td對照表如圖4所示。

類似TVS這樣的防護器件，都是將高電壓轉換成大的電流，再將其泄放至電路板的地平面或者電源系統(tǒng)，因此電路板的電源系統(tǒng)抗擾動的能力要足夠強，否則即便TVS能夠保護元器件不被ESD損壞，但整個系統(tǒng)的ESD實驗可能仍無法通過測試。

圖5為電梯系統(tǒng)廳門外的顯示板，在對CAN總線端口打+6 kV靜電時（備注，CAN總線有TVS防護，理論可防護等級：接觸放電±16 kV）。但實際上，該端口每打一槍，板卡都會出現復位或死機現象，最終導致測試不通過。通過分析和實驗測試，發(fā)現是由于該電路板的地平面被分割成很多塊導致阻抗過高，+6 kV靜電被TVS轉換成大電流后泄放至地平面，使得電源系統(tǒng)擾動過強，引起MCU復位。

3.2 增加傳輸線回路阻抗

當電子產品需要做ESD防護時，大家首先想到的方法應該是如何阻止ESD進入電路板，將ESD拒之電路系統(tǒng)外。通常的做法是從產品的殼體上防護ESD，或者通過隔離的方法防護ESD，只有實在沒有辦法的情況下，才考慮如何通過提高電路板設計來解決ESD問題。對于處理電路板ESD問題，筆者將其總結為四個字“先防后扛”，下面敘述如何通過增加回路阻抗防護ESD干擾。

常規(guī)的按鈕端口、通信端口和顯示接口等，端口連到CPU的I/O口，均需要考慮ESD防護。有少數通信芯片內部集成ESD防護器件，比如RS 232芯片，自身可防護±15 kV的ESD。但是大多數電子元器件自身I/O口的ESD防護能力只有±2 kV以下，此時需要借助其他方法增強其ESD的防護性能，這里介紹一種比較經濟有效的方法—增強被干擾傳輸線回路的阻抗，如圖6所示。

圖7為打靜電時，整個系統(tǒng)的等效電路模型，當電路中沒有串聯電阻時，系統(tǒng)打8 kV靜電時，靜電槍在該回路產生的電流約為25 A（8 kV/330 Ω）。

該電流可以輕松擊穿集成電路。但被保護回路一旦串入電阻后，則ESD產生的電流會被降低。例如ESD強度為8 kV，回路串入1 kΩ電阻后，ESD在該回路產生的電流I（單位：A）可通過歐姆定律計算：

從式（1）得知，在對傳輸線回路阻抗增強后，ESD在回路中產生的干擾電流由原來的25 A，瞬間被降低到6 A。

該方法適合應用在低速傳輸信號、普通通信口或者按鍵接口等，使用該方法解決ESD問題，最大的優(yōu)點就是設計簡單且成本低。但在今后設計中，采用該方案應注意以下幾個問題：

（1）對于傳輸速率較高的信號，電阻值應盡量小，否則影響正常通信;

（2）選用電阻時，應注意電阻的功耗問題，如小封裝電阻，可預防的ESD等級比較低;

（3）對于高速信號，可采用增加隔離電容的方法，注意電容值的選取一定要合理;

（4）由于ESD會造成電子元器件累計損傷，可能測試階段未發(fā)現ESD問題，但實際應用到現場，幾年后會有電路失效的風險。比如，一開始板卡的端口通過ESD測試，但產品使用幾年后，由于每一次產生的ESD放電現象都會損傷電阻，當達到一定程度，電阻失效后，ESD會導致系統(tǒng)出問題。

3.3 阻容電路吸收ESD能量

在此首先介紹帶電物體電荷碰撞平衡實驗：兩個鐵球，一個帶電荷，一個不帶電荷，當發(fā)生碰撞后，兩個鐵球的電勢相等，不帶電的鐵球帶了電，而帶電的鐵球電荷變少了。則電容器電量和電壓的計算公式：

式中：C為電容值，單位為F;Q是電量，單位為C;U為電壓，單位為V。

前文介紹過靜電槍的內部結構，由圖3得知靜電槍內部的電容為150 pF。當靜電槍直接打在電路板端口，設定的ESD電壓將完全被傳導至板卡，端口若不做任何防護此時靜電對系統(tǒng)的損傷將達到最大。如果在端口前級并一個電容到地平面，如圖8所示，該電容會將ESD電壓均分掉，如同中學物理課做的帶電鐵球碰撞實驗。

假如在端口并聯100 nF電容，當對端口打+8 kV的ESD電壓，電荷通過碰撞會達到平衡，再根據電容的計算公式，最終得出該電容兩端的電壓為12 V左右，如下：

并聯100 nF電容，后級電壓再經過1 kΩ的電阻，+8 kV靜電產生的干擾電流，經過RC電路到后級只有12 mA電流，該電流完全在芯片可承受的電流范圍內。

采用RC電路的方式防護ESD，需要注意以下幾點：

（1）選擇的電容容值和耐壓值，一般選的陶瓷電容耐壓值也就是50V以內;

（2）如果負載阻抗比保護電路的串聯阻抗大時，ESD產生的電壓會持續(xù)很長時間，保護電路通過電荷平衡原理、降低電流的方式達到ESD防護作用;

（3）如果負載阻抗比保護電路的串聯阻抗小，ESD所產生的電壓持續(xù)時間比較短，RC電路將是一個低通濾波器，從而使得ESD電壓衰減更大，因此保護的性能更好;

（4）當傳輸信號的速度比較快時，RC低通濾波器所選的電容值將會很小，就很難再起到防護ESD的作用，此時最好的防護方式就是采用TVS管的方式，注意，TVS價格成本比較高;

（5）如果被防護對象為射頻信號，注意所選的電容值和電阻會引起微帶線或帶狀線的特征阻抗發(fā)生變化，導致射頻發(fā)射功率衰減。

4 結 語

對于很多剛從事電子產品設計的工程師來說，大家對靜電問題都很陌生，因為在學校里只學了電路原理，并未涉及過任何與產品可靠性相關的研究。包括筆者在內，做電子產品設計前三四年，最沒把握的就是解決EMC問題，感覺ESD問題難度最大。造成這種狀況主要由兩個問題導致：

第一，當前很少有專門研究產品EMC設計的相關工作人員，大家都是做產品設計的，也許積攢了多年的設計經驗，但忙于工作，沒有時間將其總結，并傳授給新人;其次，對于搞開發(fā)的人員來說，技術能力好一些的人，且善于技術交流的人，可能工作幾年后都專做管理崗位，因此在這方面，很難有技術被積累下來，所以當新人遇到問題后，也難找到合適的人去咨詢。

本文主要介紹如何解決電路設計中ESD引起傳導干擾的問題，筆者通過參考多本電子產品可靠性設計書籍，并結合實際研發(fā)工作中遇到的問題，總結了一套解決電子產品ESD問題的方法，并將其整理成文檔。

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