電無處不在。尤其是在冬天的北方，天氣干燥的時(shí)候，脫衣服的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生噼里啪啦的靜電，晚上的時(shí)候還能看到輝光。這種靜電放電（Electro Static Discharge）現(xiàn)象，在電子器件中如果防護(hù)不當(dāng)，甚至?xí)龤гO(shè)備。因此，現(xiàn)在越來越重視對(duì)靜電的防護(hù)。大多數(shù)的IC也都有2kv的抗靜電能力。
一、 靜電放電（ESD）原因
正常情況下，物體呈現(xiàn)電中性。而物體會(huì)通過摩擦、感應(yīng)等方式獲得電子或者失去電子，使物體帶電。我們知道絕緣體和導(dǎo)體之間不是絕對(duì)的，當(dāng)能量足夠大的時(shí)候，就會(huì)把絕緣體擊穿，從而傳導(dǎo)電荷。物體電荷積累到足夠多的時(shí)候，就可能把本來不導(dǎo)電的空氣擊穿，從而泄放電荷，進(jìn)入新的平衡。這就是靜電放電現(xiàn)象。通常由于擊穿，電阻就會(huì)很小，從而造成瞬間大電流。但這樣的靜電能量并不高，因此，大電流的持續(xù)時(shí)間也很短。
二、靜電放電模型及標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)特征不同，通常將靜電放電模型分為人體模型（HBM)、機(jī)器模型（MM）和帶電器件模型（CDM）。
目前，歐盟已經(jīng)做了工業(yè)級(jí)別的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61000-4-2，我國的靜電標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17626.2-1998，與歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2等同。下圖為靜電發(fā)生器簡圖，也是典型的靜電放電模型圖。
圖1 靜電發(fā)生器簡圖
首先，左側(cè)直流高壓電源通過電阻給電容Cs充電，繼而斷掉左側(cè)開關(guān)，再次打開放電開關(guān)，使Cs中的電荷通過Rd放電電阻泄放給待測設(shè)備。在IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)下，儲(chǔ)能電容Cs為150pF，放電電阻Rd為330 ohm。
而人體模型中，Cs為100pF，Rd為1.5Kohm；機(jī)器模型中，Cs為200pF，Rd幾乎為0 ohm。可以看出，機(jī)器模型中，儲(chǔ)能電容的容值更高，就意味著電荷更多，而放電電阻幾乎為零，則意味著線路阻抗很低。這樣，高電荷低阻抗的放電回路，靜電的能力也是最強(qiáng)。因此，機(jī)器模型也被稱為“最嚴(yán)酷的人體模型”。帶電器件模型，是在電子產(chǎn)品制造和運(yùn)輸中摩擦、接觸累積的電荷，實(shí)際上很難模擬放電過程。因此也沒有形成具體的測試標(biāo)準(zhǔn)。
下圖為在人體模型中，人體的靜電帶電最高電壓及環(huán)境之間的關(guān)系。我們就可以理解，為什么在北方干燥的冬天，穿著滌綸等合成化纖的衣服，會(huì)經(jīng)常被靜電打到，而這時(shí)候的靜電電壓甚至能高達(dá)15kv。
圖2 人體靜電放電電壓與環(huán)境的關(guān)系
根據(jù)靜電放電模型，IEC61000-4-2模擬靜電放電做了相應(yīng)的靜電產(chǎn)生設(shè)備——靜電發(fā)生器，又叫靜電槍。圖1就是靜電槍的電路。而基于該標(biāo)準(zhǔn)的靜電放電波形圖如下圖：
圖3 靜電放電發(fā)生器輸出電流的典型波形
從圖中可以看出，第一尖峰的上升時(shí)間tr=0.7-1ns。（上升時(shí)間的計(jì)算為從10%處上升到90%處所用的時(shí)間。）電流在此時(shí)間內(nèi)幅度波動(dòng)巨大，1-30A不等。而放電能量的頻率也從幾十Mhz到1Ghz不等，但大多數(shù)能量都集中在低頻放電區(qū)域。
根據(jù)人體放電模型，IEC61000-4-2制定了五級(jí)的試驗(yàn)等級(jí)，包括了4個(gè)試驗(yàn)等級(jí)和1個(gè)開放等級(jí)。一般電子產(chǎn)品過的CTA認(rèn)證，要求靜電等級(jí)為3，即接觸6kv，空氣8kv。相應(yīng)的接觸放電和空氣放電的靜電槍的槍頭是不同的，接觸放電的頭是尖頭，方便接觸，而空氣放電的槍頭是圓頭。表1為靜電放電試驗(yàn)等級(jí)。圖4為靜電槍頭示意圖。
表1 靜電放電試驗(yàn)等級(jí)
圖4 靜電放電發(fā)生器的放電電極
三、靜電的危害
靜電放電主要會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞，主要可以分為設(shè)備永久失效和暫時(shí)失效兩種。
由于靜電放電會(huì)產(chǎn)生瞬間大電流，因此能量可能會(huì)對(duì)電路造成損害，直接破壞器件的正常使用，這就使設(shè)備被燒毀，引起永久性的失效。
另一方面，由于靜電中還會(huì)存在高頻脈沖，這些脈沖引起的磁場通過耦合、輻射等方式，對(duì)周圍的場造成電磁干擾，通過縫隙、電路等對(duì)器件產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致設(shè)備的暫時(shí)性失效。
四、靜電防護(hù)
既然知道靜電造成的危害，就要在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候想辦法去規(guī)避危害。
在處理靜電問題的時(shí)候，主要遵從兩大方法：堵和疏。既然靜電無法避免產(chǎn)生，那么我們就要對(duì)他進(jìn)行處理。
1、堵
堵，顧名思義，就是嚴(yán)防死守。雖然你有靜電，但是我不讓它進(jìn)入到我的設(shè)備中，這就是堵。這個(gè)問題主要是結(jié)構(gòu)工程師完成的。讓殼體匹配度更高。
主要有兩點(diǎn)方法：
1> 盡量減小殼體的縫隙。讓外邊的靜電沒有縫隙進(jìn)到設(shè)備內(nèi)部造成傷害。
2> 拉大外殼到內(nèi)部電路的間距。經(jīng)驗(yàn)表明，8kv左右的靜電經(jīng)過5mm的距離后可完全衰減。
3> 軟件上做處理。我們經(jīng)常會(huì)碰到，ESD把屏打花的情況，這時(shí)候就要軟件來做更改防止花屏。針對(duì)這個(gè)問題，剛?cè)胄械臅r(shí)候并不理解。ESD明明是硬件問題，為什么軟件處理之后能好。以花屏問題為例，可以看出這是暫時(shí)失效的問題。ESD可能導(dǎo)致屏幕的控制腳引入噪聲，從而引起中斷。這樣，通過優(yōu)化軟件代碼（比如將中斷口的觸發(fā)條件進(jìn)行判斷，對(duì)中斷信號(hào)設(shè)置持續(xù)時(shí)間等），一些不可自動(dòng)恢復(fù)的故障可以被避免，可恢復(fù)的故障概率也可以降低。
2、疏
疏則是讓靜電找到合適的泄放路徑，而不會(huì)從器件內(nèi)部泄放。
主要可以采取如下方法：
1> 要盡量保證完整的地平面。完整的地平面不但可以降低噪聲干擾等輻射之外，還可以增強(qiáng)ESD性能。大的地平面有助于靜電泄放，同時(shí)降低靜電場產(chǎn)生的影響。
2> 增大表層地的露銅區(qū)域。這樣有利于外部靜電通過表面露出的地直接導(dǎo)入板子主地，完成大面積泄放。
3> 減小電源層與地平面的距離。我們知道，靜電無非是能量，而能量可以通過儲(chǔ)能元件來吸收。平板電容器的公式如下：
其中，ε為介電常數(shù)，d為兩個(gè)平行板之間的距離，S為平行板的面積。
由公式可以看出，減小兩個(gè)平行板之間的距離，就是增大電容器的電容值。
電源層和地平面可以構(gòu)成一個(gè)平行板電容器，減小之前的距離，則可以增大主板的分布電容。當(dāng)靜電進(jìn)來之后，這些分布電容就可以吸收靜電能量，從而達(dá)到防護(hù)作用。
4> 增加ESD防護(hù)器件。對(duì)于裸露在外接口電路，ESD器件是很必要的。像USB口、電源口、電池連接器等，都是要重點(diǎn)防護(hù)的地方。這些地方增加ESD防護(hù)器件是必要的。也可以預(yù)留位置，在需要的時(shí)候貼上去。主要就是對(duì)ESD能量進(jìn)行泄放。ESD器件主要包括TVS管、穩(wěn)壓管、壓敏電阻等。相對(duì)來講，ESD靜電管性能最佳，響應(yīng)速度最快，近幾年也被大面積使用。而在一些接口處，對(duì)電流要求不高，比如ADC/GPIO等，可以通過串電阻的方式來增強(qiáng)ESD性能。
ESD問題，在設(shè)計(jì)之初就要考慮進(jìn)去，這樣在后期才能有的放矢的解決。即便出于成本考慮，設(shè)計(jì)初不想添加ESD器件，也要在必要的部位預(yù)留位置，以便后邊做優(yōu)化。因?yàn)镋SD帶來的問題，大部分是不可恢復(fù)的，對(duì)重要器件產(chǎn)生的傷害，成本要遠(yuǎn)高于靜電器件的處理。切記，在設(shè)計(jì)之初能規(guī)避的問題，成本是最小的！
以上內(nèi)容為公眾號(hào)（硬件女工程師的日常）原創(chuàng)作品，版權(quán)歸作者所有，本頭條號(hào)已獲作者授權(quán)發(fā)布。
歡迎關(guān)注工程師小何，如果您覺得本文有點(diǎn)小用，可以點(diǎn)擊右上角“…”擴(kuò)散到朋友圈~~~
靜電無處不在。尤其是在冬天的北方，天氣干燥的時(shí)候，脫衣服的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生噼里啪啦的靜電，晚上的時(shí)候還能看到輝光。這種靜電放電（Electro Static Discharge）現(xiàn)象，在電子器件中如果防護(hù)不當(dāng)，甚至?xí)龤гO(shè)備。因此，現(xiàn)在越來越重視對(duì)靜電的防護(hù)。大多數(shù)的IC也都有2kv的抗靜電能力。
一、 靜電放電（ESD）原因
正常情況下，物體呈現(xiàn)電中性。而物體會(huì)通過摩擦、感應(yīng)等方式獲得電子或者失去電子，使物體帶電。我們知道絕緣體和導(dǎo)體之間不是絕對(duì)的，當(dāng)能量足夠大的時(shí)候，就會(huì)把絕緣體擊穿，從而傳導(dǎo)電荷。物體電荷積累到足夠多的時(shí)候，就可能把本來不導(dǎo)電的空氣擊穿，從而泄放電荷，進(jìn)入新的平衡。這就是靜電放電現(xiàn)象。通常由于擊穿，電阻就會(huì)很小，從而造成瞬間大電流。但這樣的靜電能量并不高，因此，大電流的持續(xù)時(shí)間也很短。
二、靜電放電模型及標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)特征不同，通常將靜電放電模型分為人體模型（HBM)、機(jī)器模型（MM）和帶電器件模型（CDM）。
目前，歐盟已經(jīng)做了工業(yè)級(jí)別的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61000-4-2，我國的靜電標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17626.2-1998，與歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2等同。下圖為靜電發(fā)生器簡圖，也是典型的靜電放電模型圖。
圖1 靜電發(fā)生器簡圖
首先，左側(cè)直流高壓電源通過電阻給電容Cs充電，繼而斷掉左側(cè)開關(guān)，再次打開放電開關(guān)，使Cs中的電荷通過Rd放電電阻泄放給待測設(shè)備。在IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)下，儲(chǔ)能電容Cs為150pF，放電電阻Rd為330 ohm。
而人體模型中，Cs為100pF，Rd為1.5Kohm；機(jī)器模型中，Cs為200pF，Rd幾乎為0 ohm。可以看出，機(jī)器模型中，儲(chǔ)能電容的容值更高，就意味著電荷更多，而放電電阻幾乎為零，則意味著線路阻抗很低。這樣，高電荷低阻抗的放電回路，靜電的能力也是最強(qiáng)。因此，機(jī)器模型也被稱為“最嚴(yán)酷的人體模型”。帶電器件模型，是在電子產(chǎn)品制造和運(yùn)輸中摩擦、接觸累積的電荷，實(shí)際上很難模擬放電過程。因此也沒有形成具體的測試標(biāo)準(zhǔn)。
下圖為在人體模型中，人體的靜電帶電最高電壓及環(huán)境之間的關(guān)系。我們就可以理解，為什么在北方干燥的冬天，穿著滌綸等合成化纖的衣服，會(huì)經(jīng)常被靜電打到，而這時(shí)候的靜電電壓甚至能高達(dá)15kv。
圖2 人體靜電放電電壓與環(huán)境的關(guān)系
根據(jù)靜電放電模型，IEC61000-4-2模擬靜電放電做了相應(yīng)的靜電產(chǎn)生設(shè)備——靜電發(fā)生器，又叫靜電槍。圖1就是靜電槍的電路。而基于該標(biāo)準(zhǔn)的靜電放電波形圖如下圖：
圖3 靜電放電發(fā)生器輸出電流的典型波形
從圖中可以看出，第一尖峰的上升時(shí)間tr=0.7-1ns。（上升時(shí)間的計(jì)算為從10%處上升到90%處所用的時(shí)間。）電流在此時(shí)間內(nèi)幅度波動(dòng)巨大，1-30A不等。而放電能量的頻率也從幾十Mhz到1Ghz不等，但大多數(shù)能量都集中在低頻放電區(qū)域。
根據(jù)人體放電模型，IEC61000-4-2制定了五級(jí)的試驗(yàn)等級(jí)，包括了4個(gè)試驗(yàn)等級(jí)和1個(gè)開放等級(jí)。一般電子產(chǎn)品過的CTA認(rèn)證，要求靜電等級(jí)為3，即接觸6kv，空氣8kv。相應(yīng)的接觸放電和空氣放電的靜電槍的槍頭是不同的，接觸放電的頭是尖頭，方便接觸，而空氣放電的槍頭是圓頭。表1為靜電放電試驗(yàn)等級(jí)。圖4為靜電槍頭示意圖。
表1 靜電放電試驗(yàn)等級(jí)
圖4 靜電放電發(fā)生器的放電電極
三、靜電的危害
靜電放電主要會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞，主要可以分為設(shè)備永久失效和暫時(shí)失效兩種。
由于靜電放電會(huì)產(chǎn)生瞬間大電流，因此能量可能會(huì)對(duì)電路造成損害，直接破壞器件的正常使用，這就使設(shè)備被燒毀，引起永久性的失效。
另一方面，由于靜電中還會(huì)存在高頻脈沖，這些脈沖引起的磁場通過耦合、輻射等方式，對(duì)周圍的場造成電磁干擾，通過縫隙、電路等對(duì)器件產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致設(shè)備的暫時(shí)性失效。
四、靜電防護(hù)
既然知道靜電造成的危害，就要在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候想辦法去規(guī)避危害。
在處理靜電問題的時(shí)候，主要遵從兩大方法：堵和疏。既然靜電無法避免產(chǎn)生，那么我們就要對(duì)他進(jìn)行處理。
1、堵
堵，顧名思義，就是嚴(yán)防死守。雖然你有靜電，但是我不讓它進(jìn)入到我的設(shè)備中，這就是堵。這個(gè)問題主要是結(jié)構(gòu)工程師完成的。讓殼體匹配度更高。
主要有兩點(diǎn)方法：
1> 盡量減小殼體的縫隙。讓外邊的靜電沒有縫隙進(jìn)到設(shè)備內(nèi)部造成傷害。
2> 拉大外殼到內(nèi)部電路的間距。經(jīng)驗(yàn)表明，8kv左右的靜電經(jīng)過5mm的距離后可完全衰減。
3> 軟件上做處理。我們經(jīng)常會(huì)碰到，ESD把屏打花的情況，這時(shí)候就要軟件來做更改防止花屏。針對(duì)這個(gè)問題，剛?cè)胄械臅r(shí)候并不理解。ESD明明是硬件問題，為什么軟件處理之后能好。以花屏問題為例，可以看出這是暫時(shí)失效的問題。ESD可能導(dǎo)致屏幕的控制腳引入噪聲，從而引起中斷。這樣，通過優(yōu)化軟件代碼（比如將中斷口的觸發(fā)條件進(jìn)行判斷，對(duì)中斷信號(hào)設(shè)置持續(xù)時(shí)間等），一些不可自動(dòng)恢復(fù)的故障可以被避免，可恢復(fù)的故障概率也可以降低。
2、疏
疏則是讓靜電找到合適的泄放路徑，而不會(huì)從器件內(nèi)部泄放。
主要可以采取如下方法：
1> 要盡量保證完整的地平面。完整的地平面不但可以降低噪聲干擾等輻射之外，還可以增強(qiáng)ESD性能。大的地平面有助于靜電泄放，同時(shí)降低靜電場產(chǎn)生的影響。
2> 增大表層地的露銅區(qū)域。這樣有利于外部靜電通過表面露出的地直接導(dǎo)入板子主地，完成大面積泄放。
3> 減小電源層與地平面的距離。我們知道，靜電無非是能量，而能量可以通過儲(chǔ)能元件來吸收。平板電容器的公式如下：
其中，ε為介電常數(shù)，d為兩個(gè)平行板之間的距離，S為平行板的面積。
由公式可以看出，減小兩個(gè)平行板之間的距離，就是增大電容器的電容值。
電源層和地平面可以構(gòu)成一個(gè)平行板電容器，減小之前的距離，則可以增大主板的分布電容。當(dāng)靜電進(jìn)來之后，這些分布電容就可以吸收靜電能量，從而達(dá)到防護(hù)作用。
4> 增加ESD防護(hù)器件。對(duì)于裸露在外接口電路，ESD器件是很必要的。像USB口、電源口、電池連接器等，都是要重點(diǎn)防護(hù)的地方。這些地方增加ESD防護(hù)器件是必要的。也可以預(yù)留位置，在需要的時(shí)候貼上去。主要就是對(duì)ESD能量進(jìn)行泄放。ESD器件主要包括TVS管、穩(wěn)壓管、壓敏電阻等。相對(duì)來講，ESD靜電管性能最佳，響應(yīng)速度最快，近幾年也被大面積使用。而在一些接口處，對(duì)電流要求不高，比如ADC/GPIO等，可以通過串電阻的方式來增強(qiáng)ESD性能。
ESD問題，在設(shè)計(jì)之初就要考慮進(jìn)去，這樣在后期才能有的放矢的解決。即便出于成本考慮，設(shè)計(jì)初不想添加ESD器件，也要在必要的部位預(yù)留位置，以便后邊做優(yōu)化。因?yàn)镋SD帶來的問題，大部分是不可恢復(fù)的，對(duì)重要器件產(chǎn)生的傷害，成本要遠(yuǎn)高于靜電器件的處理。切記，在設(shè)計(jì)之初能規(guī)避的問題，成本是最小的！
以上內(nèi)容為公眾號(hào)（硬件女工程師的日常）原創(chuàng)作品，版權(quán)歸作者所有，本頭條號(hào)已獲作者授權(quán)發(fā)布。
歡迎關(guān)注工程師小何，如果您覺得本文有點(diǎn)小用，可以點(diǎn)擊右上角“…”擴(kuò)散到朋友圈~~~