ESD是怎樣產(chǎn)生的

ESD是怎樣產(chǎn)生的？

（1）摩擦、剝離起電；——哪里有運動，哪里就有靜電！

（2）感應起電；

感應起電是物體在靜電場的作用下，發(fā)生了的電荷上再分布的現(xiàn)象。比如：一個設備加電工作的過程中，產(chǎn)生了一定的電磁場，外圍的物體受場的作用會感應出部分電荷，如顯示器的屏幕帶電現(xiàn)象。而容性起電就比較復雜了，它是由于已經(jīng)具有一定電荷的帶電體在與另一物體靠近、分離時。根據(jù)平行板電容公式c= εS/4πkd（S為金屬片的正對面積，d為兩金屬片間的距離）。系統(tǒng)電容發(fā)生改變，由Q=CV（C為電容，V為電壓）可知，攜帶一定電量的物體或人體上的靜電電位將發(fā)生變化，這就會導致集成塊等微電子器件的損壞。

利用靜電感應原理，使導體帶電的過程。A球原不帶電，帶電的B球使A球電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，在接地情況下，經(jīng)c、e、f等過程使A球帶上電荷，謂之感應起電。

（3）電容的改變

lV=Q/C;lC=εA/d

ESD的特點

干燥環(huán)境更易產(chǎn)生靜電:

人體對靜電的感知:

在3kV時，你能通過皮膚感知；

在5kV時，你能聽見；

在10kV時，你能看見；

靜電放電的特點:

高電位：數(shù)百至數(shù)千伏，甚至高達數(shù)萬至數(shù)十萬伏；（人體對3kV以下的靜電不易感覺到）

低電量：靜電多為微安級；（尖端瞬間放電除外）

放電時間短：一般為微秒級；一個ESD瞬態(tài)感應電流在小于1ns的時間內(nèi)就能達到峰值(依據(jù)IEC 61000-4-2標準)

受環(huán)境影響大：特別是濕度；濕度上升則靜電積累減少，靜電壓下降；

ESD的危害

ESD失效：仿真人體帶8kV靜電放電，放電3次；放大3000倍；

硬損傷和軟損傷

人體靜電可以摧毀任何一個常用半導體器件。（以前實驗室發(fā)現(xiàn)有人裸手拿板，就發(fā)一塊壞板，讓他維修。）

控制ESD：

靜電不能被消除，只能被控制

控制ESD的方法：

堵；

從機構上做好靜電的防護，用絕緣的材料把PCB板密封在外殼內(nèi)，不論有多少靜電都不能到釋放到PCB上。

導；

有了ESD，迅速讓靜電導到PCB板的主GND上，可以消除一定能力的靜電。

整機級的堵和導

1、外殼和裝飾件：金屬以及可導電的電鍍材料等，屬于容易吸引和聚集靜電的材料；ESD要求很高的項目要盡可能避免使用這些材料；

2、必須使用導體材料時：結構上要事先預留有效而布局均勻的接地點；一般來說，頂針或者金屬彈片的接地效果優(yōu)于導電泡棉和導電布。

3、無法做接地處理的例如電鍍側(cè)鍵等，需要重點在主板上做特別處理；包括（1）增加壓敏電阻、TVS或者電容等器件；

（2）預留GND管腳；

（3）板邊露銅吸引靜電放電；

4、外殼上的金屬件，距離器件和走線必須大于2.2mm以上距離；

5、堆疊上避免器件裸露于孔、縫邊；如果無法避免的話，則要在組裝上想辦法堵；常見的做法有粘貼高溫膠帶或者防靜電膠帶等阻隔；所有結構設計需要留有增加隔離片的空間；

電路板級的堵和導

1、增大PCB板材面積，以增加GND面積，增強其中和靜電的能力；成本或者差異化的堆疊讓我們做小

2、實在很小的板子，則必須要有至少一層完整的GND層；并且要能夠跟電池地腳保持良好的連接；我們常常因為成本無法做到留出完整的地層。

3、很小的電路板，因為電路板的中和電荷能力有限，則要多考慮從整機上“堵”，少考慮“導”；

4、器件選擇上，要選用高耐ESD的器件；靜電保護器件在選擇時需要考慮其容性，避免不合適的容性導致其所保護信號線的信號本身的失效；

5、器件擺放時，容易被ESD影響的器件，盡量罩在屏蔽罩中；

6、屏蔽罩必須保證有效而分布均勻的接地！要較為直接的接到主地上，盲孔直接結合埋孔；要四周分布均勻地接地；

7、對IO口和鍵盤等容易暴露的部分電路，必須增加靜電保護器件；

8、器件擺放上，必須遵守就近釋放的原則，ESD保護器件應靠近IO和側(cè)鍵等擺放；其次是跨在中間路上；避免靠近芯片擺放；這樣能夠減少ESD脈沖信號進入附近線路的瞬態(tài)耦合；雖然沒有直接的連接，但是這種二次輻射效應也會讓其他部分工作紊亂；

9、Layout走線必須遵守有效保護的原則；走線應該從接口處先走到TVS處，然后才能走到CPU等芯片處；遠遠地“掛”在信號線上的靜電保護器件，會因為引線寄生電感過大而導致保護失效，讓保護形同虛設；

10、TVS管的接地腳與主地之間的連接必須盡可能的短，減小接地平面的寄生電感；

11、TVS器件應該盡可能靠近連接器以減少進入附近線路的瞬態(tài)耦合。雖然沒有到達連接器的直接通路，但這種二次輻射效應也會導致電路板其它部分的工作紊亂。

12、避免在板邊走重要的信號線；例如時鐘、復位信號；

13、主板上未使用的地方盡可能地鋪成地；并且連接到主地上；多鋪地減小了信號與地之間的間距，相當于減小信號的回路面積；（該面積越大，所包含的場流量越大，其感應電流也越大）

14、需要注意ESD對地層的直接放電有可能損壞敏感電路。在使用TVS二極管的同時還要使用一個或多個高頻旁路電容器，這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。旁路電容減少了電荷注入，保持了電源與接地端口的電壓差。

15、電源走在主板中間比在板邊好；地布局在板中間比板邊好；

TVS的特性與工作原理

TVS是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個預定的數(shù)值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，TVS可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應雷所產(chǎn)生的過電壓。圖中所示為TVS的符號及伏安特性曲線。

USB

對于USB接口的應用，目前在影音及數(shù)據(jù)處理設備上得到廣泛應用。在設計USB電路時，通常都會采用保護電路設計，見下圖所示就是一個USB口的保護電路，這個電路中誤用的就是TVS管。

RS485

RS485作為目前行業(yè)內(nèi)最為最常用的串行差分通訊方式之一，采用平衡發(fā)送，差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力，由于其具有通訊距離長（1200m以上），傳輸速率高（10Mbps），高的信噪比，控制方便，成本低，可以在一個單獨的總線上實現(xiàn)多節(jié)點以及能夠使用的收發(fā)器品種多等優(yōu)點，已經(jīng)越來越得到用戶的肯定。

但是伴隨著使用頻率的增高，其遇到的問題也日益增加。由于RS485通訊傳輸線通常暴露于戶外，日常生活中雷電和靜電干擾已經(jīng)成為RS485通信總線在實際工程經(jīng)常遇到的問題，RS485收發(fā)器的工作電壓較低，只有5V，元器件本身的耐壓也較低，通常只有－7V～＋12V，因此雷電等引入的過電壓通常能夠瞬間損壞RS485收發(fā)器，對通信系統(tǒng)造成遭到嚴重的毀壞；此外，靜電電磁干擾也嚴重地影響通信總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

氣體放電管GDT:直流擊穿電壓大于線路中的正常工作電壓，放電管允許的通過電流超過或等于設計通過的最大電流即可。

瞬態(tài)抑制二極管TVS：通用信號傳輸線上TVS的擊穿電壓VBR應高于信號線上傳輸?shù)男盘栯妷?在此前提下, VBR應盡可能選得低一些,較低的VBR可使后端通信芯片得到可靠保護,并且具有較大的通流容量。

GDT的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。TVS選擇根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓。

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)，室內(nèi)標準，通過高耐壓陶瓷電容，設計的吸收電路進行防護。

室外以太網(wǎng)口防護方案的設計思路：

以太網(wǎng)防護方案的設計需要考慮到雷擊浪涌以及陶瓷放電管一級防護之后的殘壓，因此一般會采用GDT在變壓器前端做共模 （八線）浪涌防護；并選擇結電容低、反應時間快，兼顧防護靜電功能的TVS管吸收差模能量。
百兆以太網(wǎng)防護方案（一）
防護電路圖：

陶瓷氣體放電管：
直流標稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ。
直流標稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管TVS管:
TVS【SLUV2.8-4】 Vrwm：2.8V，Vb：3.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV，結電容（f=1MHz）：2.0pF，封裝：SO-08。



百兆以太網(wǎng)防護方案（二）

陶瓷氣體放電管：
GDT 直流標稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ。
GDT直流標稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管TVS管:
TVSVrwm：3.0V，Vb：4.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV，結電容（f=1MHz）：1.2pF，封裝：SOD-323。

千兆以太網(wǎng)防護方案（一）

陶瓷氣體放電管：
GDT直流標稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ
GDT直流標稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管：
TVS Vrwm：2.V，Vb：3.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：30KV/30KV，結電容（f=1MHz）：3.0pF，封裝：SOP-08，超低漏電流

千兆以太網(wǎng)防護方案（二）

陶瓷氣體放電管：
GDT 直流標稱電壓200±30%V，沖擊電流（8/20μs）0.5KA，電容值＜0.5pF，電阻＞100MΩ
GDT 直流標稱電壓90±20%V，沖擊電流（8/20μs）2.0KA，電容值＜1.0pF，電阻＞1GΩ。
瞬態(tài)抑制二極管：
TVS Vrwm：3.0V，Vb：4.0V，防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV，結電容（f=1MHz）：1.2pF，封裝：SOD-323。