靜電無處不在。尤其是在冬天的北方，天氣幹燥的時候，脫衣服的時候就會産生噼裡啪啦的靜電，晚上的時候還能看到輝光。這種靜電放電（Electro Static Discharge）現象，在電子器件中如果防護不當，甚至會燒毀設備。因此，現在越來越重視對靜電的防護。大多數的IC也都有2kv的抗靜電能力。

一、 靜電放電（ESD）原因

正常情況下，物體呈現電中性。而物體會通過摩擦、感應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體之間不是絕對的，當能量足夠大的時候，就會把絕緣體擊穿，從而傳導電荷。物體電荷積累到足夠多的時候，就可能把本來不導電的空氣擊穿，從而洩放電荷，進入新的平衡。這就是靜電放電現象。通常由于擊穿，電阻就會很小，從而造成瞬間大電流。但這樣的靜電能量并不高，因此，大電流的持續時間也很短。

二、靜電放電模型及标準

根據特征不同，通常将靜電放電模型分為人體模型（HBM)、機器模型（MM）和帶電器件模型（CDM）。

目前，歐盟已經做了工業級别的靜電防護标準，即IEC61000-4-2，我國的靜電标準為GB/T 17626.2-1998，與歐盟标準IEC61000-4-2等同。下圖為靜電發生器簡圖，也是典型的靜電放電模型圖。

圖1 靜電發生器簡圖

首先，左側直流高壓電源通過電阻給電容Cs充電，繼而斷掉左側開關，再次打開放電開關，使Cs中的電荷通過Rd放電電阻洩放給待測設備。在IEC61000-4-2标準下，儲能電容Cs為150pF，放電電阻Rd為330 ohm。

而人體模型中，Cs為100pF，Rd為1.5Kohm；機器模型中，Cs為200pF，Rd幾乎為0 ohm。可以看出，機器模型中，儲能電容的容值更高，就意味着電荷更多，而放電電阻幾乎為零，則意味着線路阻抗很低。這樣，高電荷低阻抗的放電回路，靜電的能力也是最強。因此，機器模型也被稱為“最嚴酷的人體模型”。帶電器件模型，是在電子産品制造和運輸中摩擦、接觸累積的電荷，實際上很難模拟放電過程。因此也沒有形成具體的測試标準。

下圖為在人體模型中，人體的靜電帶電最高電壓及環境之間的關系。我們就可以理解，為什麼在北方幹燥的冬天，穿着滌綸等合成化纖的衣服，會經常被靜電打到，而這時候的靜電電壓甚至能高達15kv。

圖2 人體靜電放電電壓與環境的關系

根據靜電放電模型，IEC61000-4-2模拟靜電放電做了相應的靜電産生設備——靜電發生器，又叫靜電槍。圖1就是靜電槍的電路。而基于該标準的靜電放電波形圖如下圖：

圖3 靜電放電發生器輸出電流的典型波形

從圖中可以看出，第一尖峰的上升時間tr=0.7-1ns。（上升時間的計算為從10%處上升到90%處所用的時間。）電流在此時間内幅度波動巨大，1-30A不等。而放電能量的頻率也從幾十Mhz到1Ghz不等，但大多數能量都集中在低頻放電區域。

根據人體放電模型，IEC61000-4-2制定了五級的試驗等級，包括了4個試驗等級和1個開放等級。一般電子産品過的CTA認證，要求靜電等級為3，即接觸6kv，空氣8kv。相應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為靜電放電試驗等級。圖4為靜電槍頭示意圖。

表1 靜電放電試驗等級

圖4 靜電放電發生器的放電電極

三、靜電的危害

靜電放電主要會對設備産生損壞，主要可以分為設備永久失效和暫時失效兩種。

由于靜電放電會産生瞬間大電流，因此能量可能會對電路造成損害，直接破壞器件的正常使用，這就使設備被燒毀，引起永久性的失效。

另一方面，由于靜電中還會存在高頻脈沖，這些脈沖引起的磁場通過耦合、輻射等方式，對周圍的場造成電磁幹擾，通過縫隙、電路等對器件産生幹擾，導緻設備的暫時性失效。

四、靜電防護

既然知道靜電造成的危害，就要在設計産品的時候想辦法去規避危害。

在處理靜電問題的時候，主要遵從兩大方法：堵和疏。既然靜電無法避免産生，那麼我們就要對他進行處理。

1、堵

堵，顧名思義，就是嚴防死守。雖然你有靜電，但是我不讓它進入到我的設備中，這就是堵。這個問題主要是結構工程師完成的。讓殼體匹配度更高。

主要有兩點方法：

1> 盡量減小殼體的縫隙。讓外邊的靜電沒有縫隙進到設備内部造成傷害。

2> 拉大外殼到内部電路的間距。經驗表明，8kv左右的靜電經過5mm的距離後可完全衰減。

3> 軟件上做處理。我們經常會碰到，ESD把屏打花的情況，這時候就要軟件來做更改防止花屏。針對這個問題，剛入行的時候并不理解。ESD明明是硬件問題，為什麼軟件處理之後能好。以花屏問題為例，可以看出這是暫時失效的問題。ESD可能導緻屏幕的控制腳引入噪聲，從而引起中斷。這樣，通過優化軟件代碼（比如将中斷口的觸發條件進行判斷，對中斷信号設置持續時間等），一些不可自動恢複的故障可以被避免，可恢複的故障概率也可以降低。

2、疏

疏則是讓靜電找到合适的洩放路徑，而不會從器件内部洩放。

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幹擾等輻射之外，還可以增強ESD性能。大的地平面有助于靜電洩放，同時降低靜電場産生的影響。

2> 增大表層地的露銅區域。這樣有利于外部靜電通過表面露出的地直接導入闆子主地，完成大面積洩放。

3> 減小電源層與地平面的距離。我們知道，靜電無非是能量，而能量可以通過儲能元件來吸收。平闆電容器的公式如下：

其中，ε為介電常數，d為兩個平行闆之間的距離，S為平行闆的面積。

由公式可以看出，減小兩個平行闆之間的距離，就是增大電容器的電容值。

電源層和地平面可以構成一個平行闆電容器，減小之前的距離，則可以增大主闆的分布電容。當靜電進來之後，這些分布電容就可以吸收靜電能量，從而達到防護作用。

4> 增加ESD防護器件。對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，都是要重點防護的地方。這些地方增加ESD防護器件是必要的。也可以預留位置，在需要的時候貼上去。主要就是對ESD能量進行洩放。ESD器件主要包括TVS管、穩壓管、壓敏電阻等。相對來講，ESD靜電管性能最佳，響應速度最快，近幾年也被大面積使用。而在一些接口處，對電流要求不高，比如ADC/GPIO等，可以通過串電阻的方式來增強ESD性能。

ESD問題，在設計之初就要考慮進去，這樣在後期才能有的放矢的解決。即便出于成本考慮，設計初不想添加ESD器件，也要在必要的部位預留位置，以便後邊做優化。因為ESD帶來的問題，大部分是不可恢複的，對重要器件産生的傷害，成本要遠高于靜電器件的處理。切記，在設計之初能規避的問題，成本是最小的！

以上内容為公衆号（硬件女工程師的日常）原創作品，版權歸作者所有，本頭條号已獲作者授權發布。

歡迎關注工程師小何，如果您覺得本文有點小用，可以點擊右上角“…”擴散到朋友圈~~~

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!