靜電放電與電路

2022-01-07 TsinghuaJoking

簡 介： 對於電路板設計中，需要考慮到靜電放電（ESD）可能帶來的影響。可以通過對於PCB上的接頭保護、埠保護以及器件選擇方面來提高系統抗ESD影響的能力。
關鍵詞： ESD，PCB

01 靜電放電與電路

  在一些環境下，靜電很容易積累並在放電的時候產生很大的電擊。小時候，我們故意穿著襪子在地毯上來回走動，然後尋找機會去觸碰別人引起別人電擊驚嚇。如果你是一位設計電路板的工程師這種現象則對於電路板並不友好。

  被電擊後驚訝之餘，我們並不太擔心，因為普通靜電不會傷害到我們，但對於脆弱的電子線路則未必，它們往往在你沒有覺察到的電壓下就會領盒飯。因此你需要充分考慮到對所設計PCB進行靜電保護方案。

  下面是今年暑假期間太原工業學院隊員在參加全國總決賽線上比賽時，將車模背後上粘貼的鋁箔膠帶費勁的糾撕下來，為的是能夠顯示車模背面沒有安裝幹簧管、HALL器件等。

▲ 圖1.1  太原工業學院

  那麼為什麼他們在車模背面粘貼鋁膜呢？吃飽了？這是因為他們想通過這種方法避免車模在PVC賽道上運行時所產生的靜電對於控制電路帶來的影響。

02 什麼是ESD？

  靜電放電（Electrostatic  Discharge:ESD）是在兩個帶有不同電荷物體靠近時，如果它們之間電壓差足夠高，就會將它們之間間隙空氣電離之後，產生電火花。對於普通的消費電子產品，產生空氣放電需要在有超過 40kV/cm 的電場強度時才會發生。

  空氣溫度、溼度、氣壓等都會對靜電放電產生影響。比如在潮溼環境內，空氣的導電性能增加，這會使得聚集在物體上的電荷被釋放到周圍環境中，從而使得靜電放電不容易產生。

  這就奇觀了，明明在夏天進行的智能車競賽，為何很多隊伍都在車模上增加防止靜電的鋁膜呢。估計這是他們在冬天製作的車模，尚未將原來粘貼的鋁膜去除。

  通常人們誤以為靜電放電必須是在兩點之間的電壓大於某個固定值才會發生。實際上放電所需要的電壓與兩個導體之間的距離、導體的形狀都有關係。IPC-2221標準[1] 對於不同情況下導體安全電壓給予了規定。

  人們熟悉的陰雨天氣中閃電是發生在雲層與地球之間的靜電放電，此時雲層與地球之間相當於形成了存儲電荷的兩個極板。相比於閃電，當你黑暗光線下抖動羊毛地毯時也能看到微弱的靜電火花就顯得稀鬆平常，但稍不注意它們會對PCB造成不可挽回的損失。

03 EDS如何影響PCB？

  當人手持印刷電路板（PCB）靠近帶有電荷物體，比如人體、包裹、電纜，或者其他可能匯聚大量電荷的物體，都可能產生靜電放電。這些匯聚電荷在短時間內的釋放會產生很大的電流脈衝，電流會在晶片內部，電路板中產生大量熱量。極端情況下，脈衝電流會將晶片，電路板燒壞。

  當電路直流通路的電阻很小的時候，電脈衝所產生的熱量在短時間內只能通過紅外輻射耗散。PCB中有靜電放電常見到的區域，所以在考慮ESD保護時需要關注這些特殊的區域。

04 IC中靜電放電

  靜電放電脈衝以及它引起的電流會在集成電路（IC）的晶片內產生熱量並損壞器件。下面顯示了電路中晶片靜電放電以及在電路內芯中所引起燒蝕的情況。

▲ 圖4.1 集成電路塑封材料在靜電放電中引起的燒蝕情況（左）以及晶片內部線路損壞情況（右）

  特別是現在的集成電路內部都是使用更佳密集的光刻線路，這使得它們承受靜電放電能力更弱。有的在輸入電壓高於其工作電壓（3.3V，或者更低的工作電壓）時都會引起放電，其後果往往是災難性的。上面圖片右邊所顯示的就是靜電放電所帶來的損壞情況。

05 接頭中靜電放電

  插頭本身並不產生靜電，但它們可能會聚集靜電。當有人插接電纜或者按動按鈕時則會引起靜電對PCB的釋放，從而對設備帶來危險。特別是對於一些懸浮的接頭就是潛在的靜電事情產生之源，有時會在插接過程中能夠看到放電過程。

▲ 圖5.1 一些常用消費類或者工業電器金屬外殼以及接頭中的懸浮插針通常是靜電放電起源

  避免接頭放電的最好辦法就是將接插件中懸浮的插針進行接地。對於有屏蔽接插頭也需要與外殼進行良好的連同。這些方法可以避免靜電的聚集。

  最好使用低阻抗的導線進行保護，不要使用電容進行保護。不要通過內部PCB與外殼之間形成靜電放電迴路。

  在PCB設計中很多因素都會影響到靜電放電的影響，比如線徑寬度、布線、分層、電子器件擺放以及電路留白空間等。在設計的早期階段就應該考慮放電保護，否則等出現問題你就會面臨大動幹戈的麻煩。

06 PCB中ESD保護

  對於PCB的靜電放電保護就是避免ESD電流流向你的電路，將它們通過低阻抗的通路對地進行釋放。對於連接件的外殼接地中，應該遠離內部PCB。

  通常齊納二極體會被常用在保護電路的IO口，齊納二極體有時被稱為電壓波通抑制器件。下面電路顯示了負載輸入埠被齊納二極體保護的情況。這些二極體 應該儘可能靠近靜電放電源頭。

▲ 圖6.1 用於保護負載埠的齊納二極體

  其它用於靜電放電保護的器件包括有氣體放電真空管， TVS二極體，或者變阻器等。請注意，TVS二極體常用在重要界面保護中，它並不是一個簡單的二極體，它內部的結構如下圖所示：

▲ 圖6.2 TVS二極體及其內部等效電路

  在USB， 區域網，I2C，RS-485,RS-232以及其他數字接口中，通常使用TVS二極體來保護PCB內部集成電路免受 接口ESD的影響，如果接口還有金屬外殼，所有懸浮接頭都良好接地，靜電放電保護效果會更好。

  器件的使用手冊會給出 ESD的防護等級，這需要與工業標準相匹配（比如車載級別、航空級別等）。當你所設計電路容易由ESD引起故障時，可以適當選擇高等級的器件。

參考資料[1]

IPC-2221標準: https://resources.altium.com/p/using-an-ipc-2221-calculator-for-high-voltage-design

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