關于ESD的常識及防護

ESD是Electro Static Discharge英文的縮寫，中文含義即靜電放電：處于不同電位的兩個物體之間，由于直接接觸或靜電場感應導致的電荷傳輸（轉移）?？梢?，靜電與靜電放電（ESD）是完全不同的物理概念或物理過程。一個是“靜”，一個是“動”。 伴隨著靜電放電，往往有電量的轉移、電流的產生和電磁場輻射。

　　一、何為靜電

　　靜電是物體表面過剩或不足的靜止電荷。

　　1.靜電是一種電能，它留存物體表面。

　　靜電是正電荷 和負電荷在局部范圍內失去平衡的結果；

　　靜電是通過電子或離子轉移而形成的。

　　2.靜電現象是電荷的產生和消失的過程中產生的電現象的總稱。

　　二、靜電放電三要素

　　Q+M+D=ESD

　　● Q：一定積累的靜電荷。

　　● M：放電途徑，如金屬接觸、對地或低阻的泄放途徑。

　　● D：靜電敏感器件。

　　三、靜電產生原理

　　電子圍繞原子核運動，一有外力即脫離軌道，離開原來的原子而侵入其他的原子。

　　外力包含各種能量， 如動能，位能，熱能，化學能，電磁能等。

　　A原子因缺少電子數而帶有正電現象， 稱為陽離子。

　　B原子因增加電子數而帶有負電現象， 稱為陰離子。

　　四、靜電在電子工業中的危害

　　1.靜電吸附灰塵，降低元件絕緣電阻（縮短壽命）。

　　2.靜電放電破壞，使元件受損不能正常工作：靜電放電時當放電電流過大（瞬時大電流可達幾十A）， 產生過高熱能， 將會擊穿元件。

　　三種擊穿現象：

　　● 熱擊穿：P-N破壞；

　　● 介電擊穿： 氧化層的破壞；

　　● 金屬汽化： 金屬線被汽化而開路。

　　3.靜電放電輻射的電磁場幅度很大（可達幾百V/m）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對電子產品造成干擾甚至損壞。

　　五、ESD測試標準

　　目前IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。

　　常用消費類的測試采用接觸4KV和空氣8KV，某些高標準行業如車載類，會采用8KV和空氣15KV。

　　六、電路級ESD防護標準

　　1.并聯放電器件

　　常用的放電器件有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電管等。

　　齊納二極管（Zener Diodes） ：利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這對于高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。

　　瞬變電壓消除器TVS（Transient Voltage Suppressor）：TVS 是一種固態二極管，專門用于防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。與傳統的齊納二極管相比， TVS 二極管 P/N 結面積更大，這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

　　TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的面積成正比。該二極管的結具有較大的截面積，可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態電流。TVS也會有結電容，通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有單極性的和雙極性的，使用時要注意。

　　壓敏電阻：壓敏電阻也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓- 電流 （ 阻抗表現 ） 關系，截止電壓可達最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護，如電源回路，按鍵輸入端等。壓敏電阻價格比TVS低不少，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。

　　2.串聯阻抗

　　一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限制ESD放電電流，達到防靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。

　　3.增加濾波網絡

　　用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。

　　對于低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護，成本可以忽略，性能不比壓敏電阻差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（下面講的復合防護措施），效果更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。

　　對于射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電防護，射頻信號會被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對于微波信號可以對地并聯一個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道，對微波信號幾乎沒有影響，對于900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電感。這樣能把靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉很多。

　　4.多層板進行ESD防護

　　當資金允許的情況下，選擇多層板也是一種有效防止ESD的一種手段。在多層板中，由于有了一個完整的地平面靠近走線，這樣可以使ESD更加快捷的耦合到低阻抗平面上，進而保護關鍵信號的作用。

　　5.電路板外圍留保護帶

　　這種方法通常是在電路板周圍畫出不加組焊層的走線。在條件允許的情況下將該走線連接至外殼，同時要注意該走線不能構成一個封閉的環，以免形成環形天線而引入更大的麻煩。

　　總之ESD雖然可怕，甚至會帶來嚴重后果，但是，只要保護好電路上電源和信號線，那么就能有效的防止ESD的電流流入PCB中。以上內容供大家參考，希望能給您帶來幫助。