ZLG嵌入式笔记(连载17)|面对这样的“放电”不要心动，要杜绝！

原创 ZLG致远电子 2025-01-09 11:39

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导读

随着电子设备集成度的不断提高，静电放电（ESD）对电路的干扰和破坏愈发严重，成为影响设备可靠性的关键因素。本文探讨了ESD的成因、危害及防护方法。

现在各类电子产品的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高，或多或少都装有部分接口用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。一般电子产品中需要进行ESD防护的有：USB接口、HDMI接口、电源接口、以太网接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、MIPI接口、按键、SIM卡、耳机、4G/5G接口、触摸接口及其他各类数据传输接口。现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，ESD对于电路引起的干扰、对元器件以及接口电路造成的破坏等问题务必引起高度重视。

下面从静电的特点、危害和防护等方面进行一些介绍，并给出电源、USB 3.0电路的ESD防护示例，最后对ESD防护器件选型进行一些分享。

什么是静电？有什么危害？

所谓静电，就是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷（流动的电荷就形成了电流）。当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电，而电荷分为正电荷和负电荷两种，也就是说静电现象也分为两种即正静电和负静电。当正电荷聚集在某个物体上时就形成了正静电，当负电荷聚集在某个物体上时就形成了负静电，但无论是正静电还是负静电，当带静电物体接触零电位物体（接地物体）或与其有电位差的物体时都会发生电荷转移，就是我们日常见到的火花放电现象。例如北方冬天天气干燥，人体容易带上静电，当接触他人或金属导电体时就会出现放电现象。人会有触电的针刺感，夜间能看到火花，这是化纤衣物与人体摩擦，人体带上正静电的原因。

静电并不是静止的电，是宏观上暂时停留在某处的电。人在地毯或沙发上立起时，人体电压也可高达1万多伏，而橡胶和塑料薄膜表面的静电更是可高达10多万伏。[摘自百度百科“静电”词条]

1. 特点

ESD可形成高电位、强电场、瞬时大电流，大多数情况下ESD过程往往会产生的瞬时脉冲电流强度可达到几十安培甚至上百安倍。
在ESD过程会产生强烈的电磁脉冲辐射，这种电磁脉冲上升时间极快、持续时间极短。

2. 危害

ESD对电子设备的危害主要有两种机理，其一是ESD电流直接流过电路造成破坏，另一种是ESD电流产生的电磁场通过近场的电容耦合、电感耦合或远场的空间辐射耦合等途径对电路造成干扰。
ESD可能引起易燃易爆物的起火或爆炸，也可能导致电子元件被击穿或失效。随着微电子技术的快速发展，静电危害已成为微电子器件的重要破坏源。静电防护问题越来越被关注，而ESD防护领域也日渐广泛。

静电防护

静电防护，一方面要在原理图设计时考虑静电释放，另一方面，在PCB设计的时候也需要考虑静电因素。

1. 原理图设计

阻止静电的产生和积累，消除ESD源；
隔离导体，阻止放电；
为ESD电流提供替换通道，使其旁路；
屏蔽电路，阻止ESD产生的电磁干扰耦合到电路或设备；
通过选择抗静电级别较高的器件，设计合理的工艺和电路来增强系统的抗干扰能力。

2. PCB设计要点

PCB板边与其他布线之间的距离应大于0.3mm；
PCB的板边最好用GND网络包围，并间隔100~300mil打一个缝合孔；
重要的信号线如Reset、Clock等与其他布线之间的距离最好要满足3W规则，有空间条件的话包地更好；
大功率的线与其他布线之间的距离保持在0.2mm以上；
ESD、TVS等保护器件布局应该尽量靠近接口，并且在GND管脚附近多打过孔；
铺地时应尽量避免尖角，有尖角的地方应尽量使其平滑。

常见电路应用案列

1. 电源电路的ESD设计

致远电子工控板为满足在工业环境下的防护等级要求，在输入端做了一系列的保护，参考电路如图1所示。

图1 输入电源电路

该电路的RT1自恢复保险丝提供过流、短路保护，D1、D3、D4、D5组成防反接电路，RV1压敏电阻和D2气体放电管组成一级浪涌防护，D3的TVS瞬态抑制二极管为二级浪涌保护和静电泄放，T2共模电感作为一级浪涌和二级浪涌的退耦器件，同时抑制共模干扰，大容量电容C3可避免浪涌回落时一级电源欠压保护或负压损坏一级电源芯片，C2、C7、L1组成的π型滤波电路可抑制差模干扰。客户可针对性增加或者删减，以适应于不同的应用场景。

2. USB的ESD参考电路设计

USB3.0参考电路如图2所示。

图2 USB3.0参考电路

USB3.0接口的ESD电路设计主要是在接口处放置ESD保护器件LXES1UTAA1-157,0402 和 TPD4EUSB30DQAR,DQA-10。两个ESD保护器件的关键参数分别如图3和图4所示。

图3 LXES1UTAA1-157 ESD参数

图4 TPD4EUSB30DQAR ESD参数

这里需要特别注意的是,，对于高速信号的ESD保护器件选型需要选择结电容小的，此值越小，对保护电路的信号传输影响越小，硅半导体ESD管的结电容通常在PF级。

在设计的时候也要考虑寄生电容和寄生电感，因为这些器件主要应用于数据线上，因此寄生电容可能导致数据线总线电容变大，总线电容增大将会导致数据信号波形上升和下降沿发生变化，影响数据的速率；寄生电感不会导致信号波形变化，但是因为防护器件是将过多的能量很快泄放到地平面，而这些信号是瞬间高速信号，所以引脚的寄生电感将会阻碍这些变化，影响数据有效性。

ESD静电二极管选型指南

ESD二极管的截止电压要大于电路中最高工作电压；
脉冲峰值电流IPP和最大钳位电压VC的选择，要根据线路上可能出现的最大浪涌电流来选择合适IPP的型号，需要注意的是，此时的VC应小于被保护IC管脚所能耐受的最大峰值电压；
用于信号传输电路保护时，一定要注意所传输信号的频率和传输速率，当信号频率或传输速率较高时，应选用低电容系列的ESD二极管；
根据电路设计布局及被保护线路数选择合适的封装。

ESD涉及的知识广泛，这里仅仅是抛砖引玉。