如何理解虚无缥缈的ESD

原创硬件工程师炼成之路 2024-04-13 12:46

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相信每一个硬件工程师都或多或少的接触过ESD，不同于其它电路，这个玩意儿本身就有点虚，有点让人摸不着头脑，不知道兄弟们感觉如何？

我曾经很长一段时间里面都觉得它有点虚无缥缈，电路设计只会照着相关规则设计，但其实自己了解多少，为什么这么设计，总有一种云里雾里的感觉。网上的资料大多数也都是结论性质的，原因讲得少，看多了就好像自己懂了似的。

先来说几个以前疑惑的点吧，不知兄弟们以前有没有同感

① 静电动辄几千伏，上万伏，直接怼到电路上面芯片为什么不会打坏？即使加了防护器件，是不是有那么一瞬间，芯片还是有被加上几千伏，这不会坏吗？

② 为什么MCU/SOC管脚的信号线上串联电阻或电容会对ESD有改善呢？

③ 都说接口处的信号要先过ESD/TVS管，然后拉到被保护器件，为什么不这样做效果就不好？那如果受板子实际情况限制，必须这样layout，是一定不行吗？

虽然我们有时候记住一些结论，也能应付下工作，大不了整改，但有时，同样的措施，在这种场景没问题，换个场景又不行，那这些结论到底是OK还是不OK？

下面来说下我的理解吧，不一定对，兄弟们要有自己的判断力，脑子是个好东西。

1、为什么我说ESD比较虚无缥缈？

ESD不好处理，我觉得其原因主要在于无法用示波器进行信号测量，因为其放电速度太快，空间干扰严重，示波器测量的结果一般也会受到干扰，无法得到有价值的信息。这一点，导致我们只能通过使用静电设备给我们的产品/板子打静电，打完看其有没有坏，如果坏了，我们才能知道当前扛不住这一结果。至于静电具体是走什么路径泄放的，被保护器件那边的电压波形是什么样的，应该采取什么措施整改，没有一定经验的话，一般难以判断。

另外一点是，很多公司没有专门的ESD静电枪，也就是没有测量产品ESD的能力，只有外出约实验室进行测量，这样搞起来就更为麻烦了。

基于上面的原因，静电防护就不那么好处理，特别是在一些公司，硬件工程师还要肩负起EMC工程师的责任，这些并非我们的专长，所有经常整改起来非常头疼。

所以，我们会背一堆ESD设计规则，然后照着规则去设计，这诚然是有用的，不过，如果我们能有一套理论分析方法，那就更好了，这样不至于遇到问题时完全懵逼。

2、那如任何理论分析ESD呢？

我觉得在脑子里面简单建个ESD电路发生器的模，代入到我们的电路中去分析应该是有效的。

那如何建立ESD电路发生器的模呢？

我查了下相关标准文件，国标文件《GB／T17626.2-2018电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验.pdf》——对标IEC61000-4-2，其静电发生器简图如下图所示：

我们回想下我们去测试静电的过程，是不是一下一下打的？比如我们打接触8KV，是将设备调到8KV挡，然后取接触我们的产品或者单板进行放电。用这个图来解释，就是每次打之前，设备用直流高压电源8kV给电容Cs=150pF充好电，然后打开放电开关，这样就进行了一次放电测试。

所以呢，我们可以简单构建下面这样的电路，接入到我们自己的电路，然后评估它的破坏性就好了。

但是这样建模对吗？貌似也不对，因为我记得静电放电波不是很规律的，看下标准文件，典型电流波形如下图：

上面说的电路模型说白了就是个RC电路，是不可能产生这样的电流波形的。

不行的话，我们仿真看下，电容初始电压为2000V，输出端直接短路，我们看电流波形如下图所示，与ESD放电的典型波形差异较大（没有出现上面静电发生器电流波形的两个峰）。

那为什么这样呢？标准文件给出的电路模型还有错？

网上找到一个文章（文末会附出链接），我觉得还是比较靠谱的，放电模型中的两个开关是用继电器来控制的，我前面直接将其当作了理想开关来用了，所以不太对。

既然模型不对，那我们重新找个模型，我查了些资料，确实也找到了些模型，不过看着都很复杂，比如下面这个。

先不说这个电路准不准确，也太复杂了，如果我们分析的时候，把这个电路模型代入到我们的电路，那分析起来也太困难了，那有没有简单的方式呢？

3、简单的模型

好，我要继续扯淡了，我是这么看的：脑子里面把这个ESD发生器看作是一个信号发生器，其电压波形和电流波形长一样，内阻是330Ω。

这里有个问题没有解释，标准里面，说的是电流波形长成上面这样，而不是电压，为什么我现在这里直接把它当电压？

这里就要看这个ESD放电的典型电流波形是什么条件下测出来的？我估摸应该是短路的时候，但我没有证据。不过我们就以我们正常的电路为例子，如果我们对一个ESD管放电，输出电压会被钳位到一个比较低的电压，比如5V，相对于ESD电压动辄几千V来说，这个5V时可以忽略的，也就是说输出端相当于是短路的。

我们把输出端短路，知道其电流波形，因为是串联的关系，这个电流也是流过内阻330Ω的电流波形，电阻的两端的电流乘以电阻就等于电阻两端的电压，因为电阻是常数，所以电阻两端的电压波形也就跟电流波形形状一样。

另一方面，输出短路之后，Vesd直接加到了电阻两端，也就是说，Vesd的电压波形和电阻两端电压一样，所以Vesd的波形就和原来的电流波形形状一样。

以上描述有点绕，看下图应该很容易明白。

现在我们有了模型，不过我们也不太好分析，因为这个波形太不规则了，那怎么办呢？

下面就要用到信号的频谱了，那这是什么原理呢？其实以前专门写过一篇文章，不明白的可以去瞅瞅，就是这两个：《信号在脑子里面应该是什么样的（一）》；《信号在脑子里面应该是什么样的（二）》

4、ESD信号的频谱

一般认为，ESD的频谱是宽带的（指的是各种频率分量都有），频率范围大概是几十Mhz到500Mhz，总之，其算是高频信号。

从标准文件中知道，ESD波形具有0.7~1ns的上升沿，通过上升沿跟最大带宽的计算公式0.35/tr，可得最大带宽约为:0.35/0.7ns=0.5Ghz=500MHz。

现在我们有了模型，以及信号的频谱，下面我们拿着这两个东西去分析我们的具体的电路。

5、直接用这个模型回答开篇的第2个问题：为什么串电阻和并联电容能够改善ESD？

如上图，我们有一个电路，MCU的GPIO管脚接到了外部插座上，一般来说，这种插座就是静电的薄弱点，我们现在串联了Rs和Cp，那么这个Rs和Cp是否对静电有影响呢？

我们按照前面说的，把静电发生器的等效电路接进来分析，假设MCU的输入阻抗为Rmcu_Ri，最终电路等效如下图：

Rs，Cp对静电是否有作用，我们只需要看GPIO这个管脚的电压Vgpio就好，电压越低，说明效果越好。

有了上面的模型，其实我们就可以很轻松得到Vgpio的电压，可以列出下面的公式：

公式有了，但是，这里需要再次强调下，Vesd是不规则的波形，我们要将其进行傅里叶分解为正弦波，也就是得到其频谱，因为只有这样电容的阻抗才有意义，才能用公式Zcp=1/(j*2π*f*Cp)得到电容的阻抗，我们上述的公式计算才能得到结果。前面知道，Vesd带宽频谱为几十Mhz到500Mhz。

a、我们先来看滤波电容Cp的值对静电防护的影响

从上面公式可以看出，Cp阻抗越小时，其容抗就越大，Vgpio的值越大，也就是说静电效果越恶劣。与此同时，频率越低，电容阻抗越大。因此，恶劣的情况为信号是频率低的时候，而Vesd的带宽是几十Mhz到500Mhz，我们分析恶劣的情况，那么取最低频率几十Mhz。

问题来了，这个几十Mhz是多少呢？我没有找到官方的说法，其实也不重要，我们反正是定性分析，取个50Mhz吧。

固定了频率，我们也将Rs固定下来吧，也取最恶劣的情况，Rs=0；

有了上面的条件：f=50Mhz，Rs=0。我们看不同容值Cp情况下 Vgpio的值：

可以看到，电容越大，对静电越友好。

一般来说，加个nF级别的就对静电有好的抑制作用。再往上收益可能也不明显，因为上面的计算是基于理想公式的，我们知道实际上电容是非理想的，高于一定频率后呈感性，阻抗不降反增，这些我在讲电容的时候也是有提到的，想详细了解可以去翻翻我笔记里面陶瓷电容相关的文章，现在兄弟们简单看下下面这个图就明白了。

另外一方面，这个滤波电容在电路中可能会影响我们有用信号的传输，因此具体能加多大的电容肯定是要结合具体电路综合考虑的。

简单仿真验证下，确认下计算是否正确，仿真Cp=1nf的情况如下图（Vesd=10kV@50Mhz，Rs=0，Cp=1nF时）：

可以看到，Vesd=10kV时，Vgpio=100V，满足公式Vgpio=0.01*Vesd，验证了上面公式的准确性。

虽然我们通过电压的高低能够得出ESD的能力，不过呢，还有个问题，如果芯片管脚那里的电压真的是100V的话，那不用说，芯片早就挂了。考虑实际情况，芯片内部一般也会有ESD防护，以最常见的MCU芯片stm32f103为例子，其ESD能力为2000V，如下图所示。

这个芯片供电电压为3.3V，我们就假设其内部是接了一个3.3V的ESD管来做到的2000V的芯片能力的。根据这个，我们修改下模型如下图，放入一个3.3V的ESD管。

放了ESD管之后了，可以想象，Vgpio会被这个ESD钳位到一个比较低的电压，肯定没法通过Vgpio电压值来判断ESD能力，那现在如何衡量ESD性能呢？

也容易想到，可以通过ESD管吸收的能量，或者说是功率来判断，如果说ESD管承受的功率越大，那么其承受的压力也就越大，也就是说ESD性能差。

放了ESD管之后，就不好计算了，我们直接仿真看结果吧（注：下图中R 1是用于软件测试电流用的，1mΩ不影响结果；ESD管使用的是型号安森美的3.3V ESD器件esd9b33st5g，模型可以在其官网下载，LTspice如何导入第三方模型可以看我的笔记文档的第9.1.4章节，这里不再描述详细过程）。