ESD设计分析技巧

似水流年 · 发表于 2019-2-21 08:53:17

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ESD设计分析技巧

静电不能被消除，只能被控制。
控制ESD的基本方法：
堵；
从机构上做好静电的防护，用绝缘的材料把PCB板密封在外壳内，不论有多少静电都不能到释放到PCB上。
导；
有了ESD，迅速让静电导到PCB板的主GND上，可以消除一定能力的静电。
我们先来看看电子产品或设备的试验测试方法：

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注意：对于落地设备；水平耦合板＝垂直耦合板，EUT放在100mm厚的绝缘板上！
我再将上面的测试系统进行路径的简化分析如下；

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静电放电可以简化看做是对EUT系统单元和水平耦合板形成电容C－EUT的充电过程；在静电能量释放时，会在有阻抗的地方产生电压降！产品ESD测试时我们要清晰的了解ESD的放电电流回路情况；简化图技巧分析如下：

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阿杜老师的理论是用前面讲的堵或导或同时兼顾；要让电子产品－EUT不受静电的影响！如果电子产品或设备没有裸露的金属，我们可以提高设备外壳的绝缘，阻止静电放电的产生；如果设备有裸露的金属，应尽量保证PCB地平面的完整性，减小地平面上的阻抗，必要时可以增加外屏蔽层，由于外屏蔽的阻抗更小，大部分静电顺着外屏蔽路径放电，从而很容易就通过ESD的设计。
电子产品或设备的ESD的技巧的分析设计参考如下：

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1、ESD测试能量释放于机壳，通过电子产品或设备和耦合板的耦合电容，会在机壳上建立电压V即产生电压降！
电压的幅度与接地线阻抗、机壳与大地的电容、机壳与内部电路的电容有关。
2、系统地与机壳地分离的电子产品，内部电路也不会设计成与机壳连通，所以干扰进入内部电路主要是耦合方式。通过耦合方式进入电子产品内部的情况，与机壳上建立的du／dt，接地线上建立的di／dt有关，与机壳上建立的电压绝对值不直接相关－因此大机箱的电子设备就相对不易受干扰；其对地电容比较大，不易建立较大的电压降即系统的du／dt和di／dt。
建立电压的绝对值与绝缘强度不够造成间隙放电！有外屏蔽的产品其绝缘强度就高；大部分静电顺着外屏蔽路径放电，从而很容易就通过ESD的设计。
3、如果耦合是干扰的主要路径，我们可以采取一些措施，措施可以是很多不同的方法。一般来说耦合路径会比较多，有一些还不易察觉，直接采取阻断耦合路径的方法不易实现，除非通过结构分析、干扰分析发现了明确的结构缺陷或者路径。拉开距离可以减小耦合电容，间隙衬垫聚四氟乙烯等材料也可以减小电容，从而减少耦合强度。
实际我有看到客户的电子产品有这样的问题：
A．内部电路有连接线走线时直接贴住机壳了，这就存在设计的结构缺陷。
B．一根高阻抗的输入线与一根本来没有干扰的导线捆扎走线，而这个根本没有干扰的导线有一段比较靠近机壳，这也会有耦合ESD的问题。
4、或多或少总有一部分干扰经耦合进入内部电路，是否能处理好这些耦合进来的干扰；系统接地是关键。
连续的、靠得住的系统接地，可以承载内部电路不受外部干扰，不管系统地是否实际接大地。参考上图中的耦合路径分析箭头路径分析。
在进行ESD的内部结构电路的PCB分析时，我们可以看到在IO线端口见到电阻电容的设计，这些电容可以把耦合过来的干扰导入系统地。
当干扰源阻抗比较低时，同时信号允许的情况下，可以串电阻或者磁珠改善。
注意：对于高频电路，电容对干扰和有用信号同时起作用，所以不能用于高频信号电路。但使用TVS器件时（较小的结电容）电压高于信号电压，基本对有用信号没有影响。
说明一下：当信号电平为0时，从0电平开始干扰信号就需要消耗能量给电容充电，适当电容量可以吸收掉干扰能量，使干扰电平达不到逻辑动作电平，电子产品电路不受干扰。TVS在这个过程中基本不起作用，即便干扰电平已经达到逻辑动作电平。
很多时候由于干扰能量是吸收不完会穿过PCB，会通过CPU／MCU，如上图中的箭头所示路径！
所以后面我再分析电子产品内部ESD的问题设计时知道：一方面我们要规划干扰在PCB上的路径（注意这是在布板PCB板时需要提前规划）；另一方面要尽量控制干扰幅度。
5、空气放电主要是空间的辐射成分，没有明确的路径，对于容性耦合情况，受扰部位会有较大面积以及较近的距离，不太容易识别路径，所以从敏感部位入手比较容易。

实际的ESD都是非常高电压的空气放电模式，空间放电于接缝、插座、按键等；
相对接触放电，空气放电干扰情况要复杂很多。
最常见的是金属壳与按键、显示屏的缝隙；也很容易出现显示的故障！
在对金属壳体做接触放电通过的前提下，需要对这些缝隙做空气放电，可能出现干扰情况如：显示闪烁、误读按键、机器重启复位等。
我们要首先排除放电火花直接进入电子产品或设备的情况，干扰过程相对简单，我们可以寻找一下放电怎么会绕过壳体！
处理也简单：缩小缝隙，内部电路控制好绝缘间距。
比较常见的是放电火花落在金属壳体上出现干扰！
接触与空气放电于壳产生的干扰是不同的。
接触放电于金属壳体，产生比较大的di／dt，在结构件接地良好的情况下，仅有微弱的du／dt。空气放电于金属壳体，ESD测试头有较大du／dt，测试头前部高压部分体积越大，这个du／dt越强；这个du／dt很可能超过接触放电在接地不良金属构件上产生的大的电压V；
同时火花有较大的di／dt，也就是说有突变电场与磁场。突变电场以近场容性耦合的方式从绝缘构件部位耦合到内部电路，突变磁场以近场感性耦合方式穿透绝缘件进入内部电路。
在进行电子产品整机ESD设计时通常建议分三步走：
（1）防止外部电荷流入电路板而产生瞬态耦合干扰；
（2）防止外部磁场对电路板产生瞬态耦合干扰；
（3）防止静电场产生的瞬态耦合干扰。
在发生 ESD 问题时，解决方案有：
改进系统的接地设计（包括机箱机柜、控制面板、通信电缆连接）。
改进电路板的接地设计，对外接口 ESD 接地的设计。
发现系统死机、复位或通信错误的根本原因，在PCB 板进行相应信号处理和在软件上进行处理，也是解决 ESD 问题的最好办法，费用最低。
堵；
从机构上做好静电的防护，用绝缘的材料把PCB板密封在外壳内，不论有多少静电都不能到释放到PCB上。
导；
有了ESD，迅速让静电导到PCB板的主GND上，可以消除一定能力的静电。