電子產品中的ESD防護

李偉權

摘 要：對于電子產品的可靠性、安全性而言，靜電會帶來很大的危害。因此，電子產品的設計必須在PCB的布局、布線以及元器件的選擇上做到對ESD的可靠防護。

關鍵詞：靜電放電（ESD）；可靠性；敏感元件；PCB設計規則

一、引言

電子技術的快速發展推動了電子產品向小型化、智能化方向發展，同時也為電子產品的使用帶來了可靠性和安全性的問題。而靜電放電（ESD）會嚴重影響電子產品的可靠性和安全性。據統計，美國每年因ESD問題給十多個行業帶來超過200億美元的損失，其中給電子行業帶來的損失就有100多億美元。因此，對于身處在充滿了各種復雜的電磁環境里的電子產品來說，研究ESD防護的問題顯得格外重要。

二、靜電

靜電是以能量的形式存在于物體表面，當條件滿足時就會產生放電現象。ESD的能量傳播一般有傳導和耦合兩種形式，其中耦合又分為電容耦合和電感耦合。例如：通過人手的觸摸，就有可能將人體靜電傳導到電子電路或電子元件上。在干燥的環境中，人體ESD電壓可達10KV以上。而半導體器件的耐靜電放電電壓值一般從幾百伏到幾千伏，極易受到ESD的損傷。耦合則通過電磁波的形式穿透電子產品外殼耦合到敏感電路中，從而影響或導致電路不能正常工作。靜電對電子產品造成的損傷包括硬損壞、軟損壞和數據錯誤等。其中，硬損傷會對電子產品造成永久性的損壞。軟損壞則會使電子產品的可靠性下降。數據錯誤一般會對電子產品造成較小的臨時性影響。

三、ESD的防護

1.電子元器件的選擇

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在選用元器件時就必須考慮元器件的ESD防護能力，不同的電子元器件的ESD防護能力是不一樣的。電子元器件的靜電敏感度一般分為3級，1級靜電放電敏感元器件的電壓≤2KV，2級靜電放電敏感器件電壓為2～4KV，3級靜電放電敏感元件器的電壓為4～16KV。一般對ESD敏感的器件有MOS管、集成電路（IC）、光電器件、運算放大器、電荷耦合器件和微波器件等。在設計電子產品時，需要考慮元器件的ESD防護能力，特別是接口器件，對于ESD防護能力差的元件應采取保護措施。減少敏感器件的應用能明顯降低ESD對電子產品的損害。靜電對于半導體器件損傷模式如表1所示。

2.PCB的ESD防護

PCB是電子產品的基礎。從電子產品的PCB設計環節上就做好ESD的防護設計，可以有效提高電子產品的ESD防護。這樣，相比在電子產品進入測試、生產環節時再來著手考慮ESD的防護而言更有效果。

在PCB的ESD防護設計中，電源平面、接地平面和信號線的環路布局和器件布局以及走線長度、寬度的安排是應該主要考慮的因素。如果在PCB層上設置大面積的接地平面和電源平面，信號線必須靠近接地或電源平面，目的是保證信號環路面積最小。而多層PCB能夠更好地控制信號環路面積，相對于雙層PCB而言，多層PCB中能夠很好控制地平面和電源平面以及排列緊密的信號線與地線之間的間距，其共模阻抗和感性耦合大為降低，一般只有雙層PCB的1/10到1/100，可以有效降低感應ESD電流產生的高頻電磁信號。

另外，在電源與接地之間設置高頻旁路電容可以有效降低電源與接地平面的環路面積，對低頻的ESD有很好的抑制效果。在PCB器件布局上應該嚴格分開電路的模擬和數字部分以及低頻和高頻部分，要重點保護核心電路部分，可以采用系統地線或接地地平面將核心電路與其它電路部分間隔開來。

同時，電源部分可采用濾波電路、DC-DC隔離或光電隔離，接地部分通常采用TVS器件及配套的旁路電容形成電壓鉗位的效果，保持電源與接地之間的電壓差。有條件的還可在電路板容易放電的位置邊緣設置一個8～10mm的隔離區，這個隔離區也可以抵消8～10KV的靜電電壓。在器件布局時應考慮將容易受到ESD干擾的器件布置在遠離靜電干擾的區域或是盡量采用靜電敏感度低的器件。

通常情況下，對于易受ESD干擾的器件，主要從輻射和傳導兩個途徑入手進行防護。針對輻射，ESD可采用加屏蔽罩的方法；針對傳導，ESD可在需要保護的器件入口處增加ESD器件，從而吸收傳導進來的ESD。

對PCB走線的合理布置也可以有效抵御ESD干擾。比如：電源走線、接地走線、大功率走線與其它小信號線之間的距離需保持在0.3mm左右，對于容易受到ESD干擾的電路走線應遠離印刷電路板的邊緣，同時與其它電路走線的距離一般大于0.3mm，同時PCB的板邊緣最好用接地走線（上接第52頁）包圍，也能起到很好的隔離作用。

在電子產品防護ESD的措施中，還可以從機殼上增加些簡單實用的方法來實現ESD防護。比如：使用完全屏蔽的機殼，或是在電子產品機殼上增加屏蔽擋板，也可以將PCB板上的信號地與機殼單點連接，但應特別注意連接點的選擇。另外，在機殼與電路板之間增加共模濾波電容和鐵氧體磁珠也是個不錯的選擇。

四、結語

ESD的防護是電子產品設計過程中的一個重要環節，對于本文所闡述的一些基本防護方法還應結合電子產品實際的要求來綜合考慮，采用合理、簡捷的方法實現抗ESD的目的。

參考文獻：

[1]翟偉鋒.關于電子設備靜電放電（ESD）防護的設計原則[J].電源世界，2008，（01）.

[2]張利軍.ESD對電子產品的危害及其防護研究[J].機械管理開發，2011，（04）.

[3]胡燁，姚鵬翼，陳明.Protel99SE原理圖與PCB設計教程[M].北京：機械工業出版社，2005.