數字實驗臺核心板防靜電設計

白 勃，何先燈，李 毅，商 鵬，杜 欣

（1. 西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071；2. 西安工業大學 經濟管理學院，陜西 西安 710021）

隨著電子行業的發展，體積小、集成度高的電子器件里導線間距越來越小、絕緣膜越來越薄，從而導致器件耐擊穿性越來越差[1-2]。靜電電壓通常超過其擊穿閾值，容易造成器件的擊穿或失效，影響器件的技術指標，降低其可靠性[3-5]。靜電放電（electro-static discharge，ESD）會造成電子產品和設備的功能紊亂，甚至部件損壞[6-7]，已經成為電子器件產品不可忽視的問題和危害，以及維護電子器件產品穩定性和可靠性必須解決的重要問題之一。

“電子線路實驗（一）”是針對我校通信工程、信息工程、空間信息與數字技術等專業本科生的一門必修實驗課。課程旨在讓學生加深對電子線路理論，特別是對數字邏輯電路設計理論的理解，掌握常用電子線路的設計、組裝、調整和測試技能，并初步具備工程實踐能力，以及應用計算機仿真軟件分析與設計實驗電路的能力。同時，讓學生了解本課程常用儀器的基本原理、技術性能、使用及測量方法，并具有正確處理實驗數據、分析實驗結果、撰寫實驗報告的能力。

由于該課程開設的時間為第三學期（秋季學期），學生上課時通常穿著較厚的毛衣、羽絨服等衣物；此外，使用暖氣供暖的實驗室空氣干燥、濕度較低，學生在動手連接導線、插拔芯片時，極易產生高壓靜電擊穿核心板上可編程器件的現象。相比器件過載燒毀現象，可編程器件被高壓靜電擊穿后，并無發燙、冒煙等容易識別的特征，通常會導致實驗進行到最后一步下載通電驗證時，無法呈現出應有的實驗結果，最終導致實驗失敗。

本文針對“電子線路實驗（一）”課程所使用數字實驗臺的核心板極易被高壓靜電擊穿燒毀，導致學生實驗失敗的問題，在不改變現有數字實驗臺基礎板的前提下，研究設計新型的核心板靜電保護電路，從而增強數字實驗臺的抗擊穿性，提高學生實驗的成功率。

1 靜電放電模型及常用防護方法

1.1 靜電模型

靜電是存在于物體表面的一種特殊電能，是正負電荷在局部失衡所產生的一種現象。附著在物體表面的靜電荷會通過電子器件的管腳瞬間進入電路內部，產生峰值達數安培的瞬態大電流，從而將電子器件燒毀。根據靜電的產生方式以及對電路的損傷模式[8-11]，常用的靜電放電模型主要分為人體模型、機械模型、充電模型和電場感應模型等4 種模型，而人體模型和機械模型通常被用來測試電子元器件和電子產品的ESD 防護性能。

（1）人體放電模型。人體表皮與衣物摩擦時產生的電荷接觸到芯片時，會釋放電荷導致芯片燒毀擊穿。具體的放電路徑為：人體—器件—地。秋天與別人觸碰經常觸電就是這個原因。人體放電模型的ESD 標準：等效人體電容為100 pF，等效人體電阻為1.5 kΩ。

（2）機器放電模型。機器移動過程匯總產生的靜電觸碰芯片時由管腳釋放，從而導致芯片燒毀擊穿。具體的放電路徑為：器件—器件—地。機器放電模型的ESD 標準：等效機器電容為100 pF，等效機器電阻為0 Ω。由于等效電阻為0 Ω，所以放電時間很短，在ms 或者us 量級。同時，由于等效電阻為0 Ω，產生的電流極大，產生的危害遠大于同級別的人體放電。

1.2 常用靜電防護方法

常用的ESD 防護主要包括并聯保護器件ESD 防護、串聯阻抗ESD 防護、增加濾波網絡、增加吸收回路等幾種方式[12-13]。

（1）并聯保護器件ESD 防護。常用的放電器件有瞬態二極管（TVS）、齊納二極管、壓敏電阻、氣體放電管等，放電器件的并聯ESD 防護如圖1 所示。

（2）串聯阻抗ESD 防護。通過串聯電阻或者磁珠限制ESD 放電的電流，達到ESD 防護的目的，放電器件的串聯ESD 防護如圖2 所示。

（3）增加濾波網絡。濾波器可以濾除掉主要的能量，從而達到靜電防護的目的。對于低頻信號，如GPIO輸入、ADC、音頻輸入可以用電容來做靜電防護，使用濾波網絡的器件放電ESD 防護如圖3 所示。

圖1 并聯ESD 防護示意圖

圖2 串聯ESD 防護示意圖

圖3 濾波網絡ESD 防護示意圖

（4）增加吸收回路。通過在敏感信號附近增加漏銅來吸收靜電，其基本原理和避雷針類似，但由于安裝復雜、使用場景受限等缺陷，很少使用在電子器件的ESD 防護領域。

2 數字實驗臺特點及ESD 防護電路設計

2.1 數字實驗臺及核心板

“電子線路實驗（一）”課程使用的數字實驗臺如圖4 所示，主要包含基礎板和核心板兩塊板卡。其中，基礎板包含邏輯輸入輸出、電路連接單元、獨立按鍵、八段位數碼管、基本信號源，以及各種電源輸入接口等幾個主要部分，主要用于接插基本的與非門獨立元件，搭建實現相關的邏輯功能電路，并為核心板供電。核心板則由搭載了一塊型號為 EMP240T100C5 的CPLD 可編程芯片、一個用于提供系統時鐘的16MHz晶振、多個用于輸出指示的LED 貼片器件、多個用戶信號輸入輸出的接插件、用于程序下載調試的接口，以及其他相關的器件組成。在具體的實驗過程中，學生需要根據不同的實驗任務要求，使用原理圖方法或硬件描述語言編程方法，自行設計相關程序，使用Quartus 仿真通過后，通過USB-Blaster 下載至CPLD可編程器件進行加電測試。

圖4 數字實驗臺

如圖5 所示，核心板的正面已經安裝了一塊用于避免裸手接觸芯片器件的透明亞克力塑料板，可以有效地防止學生在實驗操作過程中，因直接用手觸摸芯片器件導致芯片被靜電擊穿的現象。然而，由于在核心板的頂部和底部，各有兩行用于連接輸入/輸出信號的插孔P1-P8、P15-P21、P26、P51-P58 和P66-P73，學生在使用導線連接輸入/輸出信號時，也較容易發生靜電擊穿的現象。

圖5 核心板

2.2 ESD 防護電路設計

數字實驗臺是由GWinstek GPD-3303 數字式直流穩壓電源提供直流供電，所以，需要保證該穩壓電源的有效接地，這也是保證ESD 防護電路有效工作的基本前提。由于在具體的實驗操作過程中，核心板上的CPLD 可編程器件被靜電擊穿燒毀的主要類型為人體ESD 擊穿。因此，可以使用佩戴靜電手環的方式，有效釋放附著在人體表皮，特別是手上的高壓靜電荷，從而防止電子器件被ESD 擊穿。同時，也可以通過增加實驗室內的空氣濕度等措施，抑制人體表面靜電荷的生產。然而，現有教室的實驗桌均為老式的木質塑壓板結構，使用靜電手環需要加裝專用的ESD 放電線路，成本較高、工期較長，并不適用于數字實驗臺相關實驗的ESD 防護。綜上所述，為解決數字實驗臺的核心板極易被高壓靜電擊穿燒毀問題，在不改變現有數字實驗臺基礎板的前提下，研究設計相關的核心板ESD 防護電路，是增強數字實驗臺的抗ESD 擊穿，提高學生實驗成功率的最為有效途徑。

根據ESD 防護電路布設的置位，可以將ESD 防護電路分為片外ESD 防護電路和片內ESD 防護電路。片內ESD 防護一般在芯片設計制作過程中進行，因此，本文采用了片外ESD 防護電路。常見的片外ESD防護器件有陶瓷電容、齊納二極管、肖特基二極管、多層變阻器和TVS 等多種類型。其中，多層變阻器利用壓敏電阻的阻值隨電壓非線性變化的特性，將加載在壓敏電阻兩極間的ESD 電壓限制在一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。常用作手機、機頂盒等多種電子產品的ESD 防護。而基于TVS 的ESD 防護電路則通常并聯使用在需要被保護的電子器件上，當加載在電子器件上的電壓超過正常工作范圍時，即發生ESD 放電現象時，TVS 二極管會發生雪崩，將ESD 產生的瞬態大電流以旁路的方式釋放掉，從而避免電子器件被ESD 高電壓擊穿或瞬態大電流燒毀。

結合如圖6 和圖7 所示的核心板的電路原理圖和PCB 圖，可以看出位于核心板的頂部和底部的，用于連接輸入/輸出信號的插孔 P1-P8、P15-P21、P26、P51-P58 和P66-P73，以每四個一組的方式，通過各異限流電阻直接連接到CPLD 可編程器件的不同管腳上。因此，在滿足CPLD 可編程器件有效ESD 防護的前提下，為降低電路復雜性和改造成本，并考慮到真實實驗過程中，ESD 放電電壓僅來自插孔P1-P26 和P51-P73 中某一個或幾個插孔的現象，以及人體ESD放電信號持續時間短（約為500 ns）、中心頻率高（約為40 MHz）的特點，本文采用TVS 二極管并聯防護加多通道復用的設計方法。將核心板的外接插孔根據在電路板上的布設位置交叉劃分為8 組，在每一個外接插孔上并聯一個貼片電容，最后通過共用TVS 二極管的方式，實現CPLD 器件的ESD 防護。如P1、P15、P58 和P73 4 個外接插孔各自并聯一個Risym 0805 貼片電容（標稱0.01uF）后，通過共用一個Risym 貼片肖特基二極管 IN5819 連接到核心板的數字地端。Risym 0805 貼片電容和 Risym 貼片肖特基二極管IN5819 的批量采購價格分別為3 分/個和7 分/個，因此，一塊含ESD 防護的核心板的器件成本僅比未含防護的多1.5 元。

圖6 核心板原理圖

圖7 核心板PCB 圖

3 結語

本文針對“電子線路實驗（一）”課程所使用數字實驗臺的核心板極易被高壓靜電擊穿燒毀，導致學生實驗失敗的問題，在不改變現有數字實驗臺基礎板的前提下，根據真實實驗過程中ESD 放電現象的特點，采用TVS 二極管并聯防護加多通道復用的設計方法，研究設計新型的核心板ESD 防護電路。在嚴格控制成本、電路板體積的同時，增強數字實驗臺的抗擊穿性，提高學生實驗的成功率。最后，本文研究設計的ESD防護電路不僅可以解決該課程中核心板被靜電擊穿導致實驗失敗的問題，而且可以推廣到“微機原理實驗”“綜合電子線路設計”等涉及芯片、核心器件被靜電擊穿現象的課程中，有利于提高實驗板的可靠性以及學生實驗的成功率。