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(guò)產(chǎn)品安全地返回系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)移到大地。

串聯(lián)設(shè)計(jì)，比如鐵氧體磁珠、共模扼流圈和小阻值的串聯(lián)電阻器?？捎糜谧柚够驕p小電流脈沖。

并聯(lián)設(shè)計(jì)，比如電容器件、反偏的二極管、火花隙或氣體放電裝置，當(dāng)跨接在數(shù)據(jù)線上時(shí)，可將大部分的ESD電流轉(zhuǎn)移至外殼平面或安全地。

對(duì)于外殼平面，并不需要其是一個(gè)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(cè)的兩個(gè)電路板安裝點(diǎn)之間布置一條寬的PCB走線。這條PCB走線應(yīng)搭接到這些安裝點(diǎn)上。PCB走線應(yīng)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(duì)于所考慮的每個(gè)插針和每條PCB走線，應(yīng)安裝合適的瞬態(tài)抑制器件，并且與外殼PCB走線之間的距離應(yīng)非常短。這將會(huì)形成一條安全的和低阻抗的路徑以泄放掉ESD電荷。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)將大部分的ESD電流轉(zhuǎn)移到大地，也不要影響數(shù)據(jù)線路的信號(hào)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(chǎn)品的I/O連接器或電源連接器。

（2）對(duì)于I/O線纜、信號(hào)線或電源線需要使用低通濾波器。好的設(shè)計(jì)是在信號(hào)線上串聯(lián)47Ω～100Ω的小電阻，同時(shí)在信號(hào)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(shè)計(jì)在PCB板上，高頻時(shí)推薦使用貼裝的器件。

（3）確保外殼或殼體沒(méi)有產(chǎn)生泄漏?？赡苄枰黾泳o固件的數(shù)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(xiàn)敏感的內(nèi)部電路節(jié)點(diǎn)上跨接1～10nF的電容器件或RC濾波器。比如，連接任何CPU的復(fù)位輸入的電路。

（5）對(duì)于內(nèi)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(shè)計(jì)瞬態(tài)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(jìn)行好的射頻搭接。

（6）對(duì)于非屏蔽殼體，增加一個(gè)金屬平板，所有I/O和電源連接器的外殼應(yīng)與它的一面進(jìn)行連接。

對(duì)于高速數(shù)據(jù)線，可以使用的兩種最佳技術(shù)為陶瓷ESD裝置和硅ESD裝置。陶瓷防護(hù)裝置的電容值非常小，大約為0.05pF、耐壓非常高且壽命長(zhǎng)。

對(duì)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(diǎn)，為0.25pF。其優(yōu)點(diǎn)是具有非?？斓拈_通時(shí)間，可將峰值電壓限制在50V以內(nèi)。鉗位電壓為8～10V。

2.特殊情況及問(wèn)題分析

對(duì)于沒(méi)有金屬殼體的產(chǎn)品或EUT，ESD抗擾度的設(shè)計(jì)值得關(guān)注。其設(shè)計(jì)方法：可以在會(huì)導(dǎo)致任何元器件出現(xiàn)敏感ESD電流路徑上增加串聯(lián)阻抗，以及在想讓ESD電流離開產(chǎn)品的位置處增加低阻抗的轉(zhuǎn)移路徑。

（1）最佳的方法是在所有I/O連接器上設(shè)計(jì)瞬態(tài)抑制器，它可以將電流脈沖轉(zhuǎn)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?？拷B接器處設(shè)計(jì)鐵氧體扼流圈能減小一部分電流脈沖。

（4）在信號(hào)線到PCB外殼平面之間或信號(hào)線到安全地導(dǎo)線之間接并聯(lián)電容1nF/10nF，能有助于轉(zhuǎn)移ESD電流。

（5）確保PCB周圍的ESD電流能被轉(zhuǎn)移的一種非常好的方法是，通過(guò)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(yīng)與所有I/O連接器的導(dǎo)電后殼及外殼進(jìn)行連接。ESD電流將能從金屬平板泄放到大地。

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)也可能使產(chǎn)品對(duì)ESD產(chǎn)生固有的抗擾度：

（1）不要使用無(wú)限的“等待”狀態(tài)。

（2）在適當(dāng)?shù)那闆r下，使用“看門狗”程序讓EUT重啟。

（3）使用校驗(yàn)位、校驗(yàn)或糾錯(cuò)碼，以防止存儲(chǔ)損壞數(shù)據(jù)。

（4）一定要確保所有的輸入為鎖存的和選通的；不能為浮點(diǎn)的。

3.IC芯片產(chǎn)品ESD設(shè)計(jì)與優(yōu)化

Ø增加用于保護(hù)內(nèi)部線路的ESD保護(hù)電路,使其可承受較大的電流。

在實(shí)際產(chǎn)品及設(shè)備上進(jìn)行ESD測(cè)試與整改時(shí)的基本方法：

堵；

從機(jī)構(gòu)上做好靜電的防護(hù)，用絕緣的材料把PCB板密封在外殼內(nèi)，不論有多少靜電都盡量不釋放到PCB板及內(nèi)部電路。

導(dǎo)；

有了ESD，迅速讓靜電能量導(dǎo)到PCB板地的低阻抗上，做好PCB設(shè)計(jì)可以消除一定能力的靜電放電電流。

電路的設(shè)計(jì)采用堵和導(dǎo)的方法：

1.MCU控制芯片的電源和地的濾波設(shè)計(jì)

2.接口電路的電源濾波及信號(hào)電路的R,C濾波

3.驅(qū)動(dòng)器I/O發(fā)送和接收端的電阻R,阻容RC的反射及串?dāng)_控制

4.PCB的信號(hào)回流和電源與地回流面積的控制；

在PCB板級(jí)的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)技巧：

A.規(guī)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(hào)提供穩(wěn)定的工作電壓與穩(wěn)定的電平傳輸。

C.控制好信號(hào)的環(huán)路面積減小寄生電感。

5.把干擾泄放到大地或者對(duì)地阻抗最小的點(diǎn)上；

6.減小干擾進(jìn)入PCB內(nèi)部電路的能量；

7.增加被干擾電路的高頻阻抗；

8.對(duì)敏感的器件或電路進(jìn)行防護(hù)；

9.加強(qiáng)絕緣擊穿距離；

注意：當(dāng)靜電放電ESD干擾信號(hào)通過(guò)耦合方式到達(dá)電路板內(nèi)部的時(shí)候，如下圖所示：

注意：PCB的設(shè)計(jì)地走線，地回路，接地點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)也是解決抗擾度ESD設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)方法與思路。

目前行業(yè)內(nèi)最典型的EMS敏感度的設(shè)計(jì)也都跟這個(gè)結(jié)構(gòu)圖相關(guān)聯(lián)。

產(chǎn)品問(wèn)題的發(fā)生也是跟我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性相關(guān)聯(lián)的。