ESD靜電放電的故障診斷與整改

1.典型的解決方法

很多方法都能阻止ESD電流脈沖或讓電流脈沖通過產品安全地返回系統將其轉移到大地。

串聯設計，比如鐵氧體磁珠、共模扼流圈和小阻值的串聯電阻器。可用于阻止或減小電流脈沖。

并聯設計，比如電容器件、反偏的二極管、火花隙或氣體放電裝置，當跨接在數據線上時，可將大部分的ESD電流轉移至外殼平面或安全地。

對于外殼平面，并不需要其是一個完整的平面，也不需要其位于底層或中間層上。使用外殼平面最有效的方法之一是，在所考慮的連接器的某一側的兩個電路板安裝點之間布置一條寬的PCB走線。這條PCB走線應搭接到這些安裝點上。PCB走線應位于平面的頂層表面上且使其與連接器的插針保持安全距離。對于所考慮的每個插針和每條PCB走線，應安裝合適的瞬態抑制器件，并且與外殼PCB走線之間的距離應非常短。這將會形成一條安全的和低阻抗的路徑以泄放掉ESD電荷。

在進行設計時將大部分的ESD電流轉移到大地，也不要影響數據線路的信號完整性。

（1）在可疑電纜上加裝鐵氧體是最快的，通常也是最先想到的方法。一定要確保這些鐵氧體的位置放置盡可能地靠近產品的I/O連接器或電源連接器。

（2）對于I/O線纜、信號線或電源線需要使用低通濾波器。好的設計是在信號線上串聯47Ω～100Ω的小電阻，同時在信號線與返回線或電源返回線之間使用1～10nF的電容。如果有可能，濾波器一定要使用最短的線纜。如果濾波器直接設計在PCB板上，高頻時推薦使用貼裝的器件。

（3）確保外殼或殼體沒有產生泄漏。可能需要增加緊固件的數量。殼體也可能需要使用附加的射頻襯墊。

（4）可能需要在呈現敏感的內部電路節點上跨接1～10nF的電容器件或RC濾波器。比如，連接任何CPU的復位輸入的電路。

（5）對于內部PCB相連的所有I/O連接線和電源線，最終的解決辦法是設計瞬態電壓抑制器件TVS。PCB需要盡可能地在接近I/O連接器處與外殼進行好的射頻搭接。

（6）對于非屏蔽殼體，增加一個金屬平板，所有I/O和電源連接器的外殼應與它的一面進行連接。

對于高速數據線，可以使用的兩種最佳技術為陶瓷ESD裝置和硅ESD裝置。陶瓷防護裝置的電容值非常小，大約為0.05pF、耐壓非常高且壽命長。

對于8KV的ESD脈沖，他們可將峰值電壓限制到300V，鉗位電壓為40V。硅ESD裝置的電容值稍大點，為0.25pF。其優點是具有非常快的開通時間，可將峰值電壓限制在50V以內。鉗位電壓為8～10V。

2.特殊情況及問題分析

對于沒有金屬殼體的產品或EUT，ESD抗擾度的設計值得關注。其設計方法：可以在會導致任何元器件出現敏感ESD電流路徑上增加串聯阻抗，以及在想讓ESD電流離開產品的位置處增加低阻抗的轉移路徑。

（1）最佳的方法是在所有I/O連接器上設計瞬態抑制器，它可以將電流脈沖轉移到PCB的外殼平面。

（2）I/O線加裝共模扼流圈。

（3）在電纜上非常靠近連接器處設計鐵氧體扼流圈能減小一部分電流脈沖。

（4）在信號線到PCB外殼平面之間或信號線到安全地導線之間接并聯電容1nF/10nF，能有助于轉移ESD電流。

（5）確保PCB周圍的ESD電流能被轉移的一種非常好的方法是，通過在PCB的下面增加金屬平板（或者是金屬背板）。這種金屬平板應與所有I/O連接器的導電后殼及外殼進行連接。ESD電流將能從金屬平板泄放到大地。

通過軟件設計也可能使產品對ESD產生固有的抗擾度：

（1）不要使用無限的“等待”狀態。

（2）在適當的情況下，使用“看門狗”程序讓EUT重啟。

（3）使用校驗位、校驗或糾錯碼，以防止存儲損壞數據。

（4）一定要確保所有的輸入為鎖存的和選通的；不能為浮點的。

3.IC芯片產品ESD設計與優化

Ø增加用于保護內部線路的ESD保護電路,使其可承受較大的電流。

在實際產品及設備上進行ESD測試與整改時的基本方法：

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，不論有多少靜電都盡量不釋放到PCB板及內部電路。

導；

有了ESD，迅速讓靜電能量導到PCB板地的低阻抗上，做好PCB設計可以消除一定能力的靜電放電電流。

電路的設計采用堵和導的方法：

1.MCU控制芯片的電源和地的濾波設計

2.接口電路的電源濾波及信號電路的R,C濾波

3.驅動器I/O發送和接收端的電阻R,阻容RC的反射及串擾控制

4.PCB的信號回流和電源與地回流面積的控制；

在PCB板級的ESD防護設計技巧：

A.規劃靜電電流泄放路徑，為靜電電流泄放提供安全可靠的低阻抗泄放通道。

B.減小地電位差，為信號提供穩定的工作電壓與穩定的電平傳輸。

C.控制好信號的環路面積減小寄生電感。

5.把干擾泄放到大地或者對地阻抗最小的點上；

6.減小干擾進入PCB內部電路的能量；

7.增加被干擾電路的高頻阻抗；

8.對敏感的器件或電路進行防護；

9.加強絕緣擊穿距離；

注意：當靜電放電ESD干擾信號通過耦合方式到達電路板內部的時候，如下圖所示：

注意：PCB的設計地走線，地回路，接地點的位置設計也是解決抗擾度ESD設計最關鍵的設計方法與思路。

目前行業內最典型的EMS敏感度的設計也都跟這個結構圖相關聯。

產品問題的發生也是跟我們產品設計可靠性相關聯的。