标签: esd防护

USB作为一种非常普及的接口，在各种电子终端设备上都有使用。作为硬件设计中的重点考虑项，ESD防护设计显得尤为重要，然而，在实际电路中，我们经常可以看到各种不同的防护设计方案，有些方案甚至彼此相反；在实际的ESD测试中，也会出现支持不同方案的各种结果。 针对USB端口的防护设计，最好这样来分开讨论： 线路防护和壳体防护 （有些非专业的同志喜欢笼统来看待，这样不利于正确地解决ESD问题）。实际上我们实际中碰到的绝大部分ESD问题都是外壳受扰所引起的，原因有二：一是USB接口采用了金属外壳，所以接口线路一般不会直接受到ESD能量的干扰；二是USB信号线本身有比较好的抗ESD特性，加上辅助的TVS等防护器件，使得信号线受扰的几率降到很低。 基于以上两点，我们先着重分析一下USB外壳的防护，再分析信号的本身的防护设计。 一、USB外壳的防护 首先，前面已经提到，所有的USB设备接口均为金属外壳，所以按照ESD测试标准，一般我们采用接触放电的方式，当然，也存在某些接口金属过于内缩，影响直接接触，这时则必须采用空气放电的方式，有时候放电方式的选择很重要。 接下来，我们需要熟悉一下ESD放电的回流路径，如下图： 在这里，顺便解释一下，同EMI分析一样，ESD问题也必须了解两点：一是搞清ESD能量的最小阻抗路径或主要路径；二是找出真正的ESD敏感点。 在实际的案例中，由于产品的形态各异，ESD的回流路径也会有很大不同，有些产品往往会有多个ESD回流的路径，上图中，ESD能量通过USB的金属壳体到达主板内部，然后大概会通过三种不同的通道来泻放，一是通过电源线泻放到地；二是通过体电容泻放到参考平面的地；三是通过高压电容和网络变压器，泻放到辅助设备上，再间接泻放到地。 那么，针对不同的泻放路径， 作为设计者，我们可以做的就是控制各条路径的阻抗，让能量沿着远离ESD敏感点的低阻抗路径回到大地 ，这就是我们经常提到的两大手法：“堵”（增加阻抗）和“疏”（减小阻抗）。 下面拿一个典型产品来介绍，如下图： 该产品一般的配置如上图中描述，那么，当USB金属外壳引入ESD时，我们来具体分析一下各条泻放路径的阻抗： 1）沿电源线泻放。 需要考虑的参数有：USB接口到电源接头的地的连续性；电源适配器线缆阻抗（一般很小，可以忽略不计）；电源适配器的对地电容大小（这个参数很关键）。 2）通过PCB本身与地之间的体电容泻放。 需要考虑的参数有：PCB的层数，上下层之间的连接阻抗等；PCB的大小，摆放方式及离地高度（决定了体电容的大小）。 3）通过高压电容和网络变压器泻放。 需要考虑的参数有：距离静电放电点的远近；高压电容本身的阻抗；辅助设备的接地阻抗等。 本案例中，电源适配器线缆的对地阻抗相对而言是最低的，因此大部分ESD能量会通过此路径泻放。其次是选择通过网线放电到电脑主机的方式，当然此时要考虑电脑主机本身是否接地良好，而且我们也不希望以这种与邻为壑的放电方式放电，它可能导致周边设备的损坏。而利用本身的体电容放电，对于接地设备而言一般影响在高频段范围内，能量比较弱。但对于完全浮地的设备则能起到至关重要的作用。综上所述，我们首先需要保证的是电源线部分的接地阻抗问题，即想方设法让静电能量通过电源适配器回路到地。 下面给出了一个典型的USB端口电路图和layout示意图： USD接口防护原理图 USB接口PCB图 整改实验过程很复杂，归纳如下： 由以上实验，可以分析得出以下结论： 第一，通过体电容放电的方式对此产品无明显改善，估计这是因为存在更低回流的路径，使得体电容的影响变得非常小；第二，通过改变ESD的流向，使得大部分静电通过就近的电源端口到地，可以极大地改善ESD防护性能，保护内部电路。 接下来要研究的是ESD敏感点的排查。 通常情况下，不同的产品，排查的难易度有很大区别。越复杂的PCB，排查起来越困难，具体方法在这里就不一一赘述了。仅列出几条防护设计要点出来，如下： 关键信号线，敏感线等尽量远离ESD测试点走线，推荐在关键信号的芯片端加上去耦电容。 关键信号线一般为复位，中断，控制线，在layout时要求靠近地或电源，并尽量走短线。 很多情况下，ESD问题是由于浮地设备的地电位变化引起的，因此，在ESD敏感区域，应当注意电源和地的去耦设计，以防止ESD引起地和电源的电位变化。 综上实验分析，对于不同类型的产品，USB外壳的防护设计不尽相同，但是，我们仍然可以归纳出一些通用的经验： USB金属外壳地采用低阻抗方式连接到可能的回路上（如电源的地），最好直接采用零欧姆电阻或磁珠相连，而不要采用1nF的高压电容； 金属外壳与主地之间采用隔离手段隔开； 金属外壳地最好经由PCB的bottom层回流，因为一般的敏感器件在PCB的正面放置。 二、USB端口信号线的防护设计 众所周知，USB由四根信号线组成：5V的电源线，Data+，Data-，地线，下面给出了几个简单的防护电路设计图： 关注要点： 1） 对于5V电源线的防护，无论有没有防护器件，必须要在端口处加对地去耦电容，用于ESD的回流作用。 2） 对于一般数据线D+，D-，直接遭受大能量ESD的可能性比较低，尖端放电可能起不到作用，而差模尖端放电则更无必要。若有cost down需求，可将此处的防护器件去掉，或改为低成本的压敏电阻。 3） USB的信号地线，一定要保证直接接地，而不要采用其他隔离方式（事实上此地线基本上不起到ESD防护作用，只是EMI回流而已）。 三、USB端口电源的设计要求 USB接口有host和slave之分，大部分产品的USB为host类型，即外接USB设备，并供给5V的直流电源。在这种情况下，对输出电源的纯净性提出了很高要求。以下典型案例进行说明： 案例问题说明： 一个无线网关产品，通过USB接口外接数据卡设备，当采用USB1.1的数据卡时，连接没有问题；而换用USB2.0的高速数据卡时，则会出现找不到USB设备或者无法上网的问题，采用外接的5V电源供电，则不会出现此问题。另外，若在信号线D+，D-上加共模电感，问题也不会出现。 原因分析： 由实验可知，干扰源在于USB的5V电源，电源的不干净影响到了USB数据线，使得设备掉线。 接下来分析USB电路,首先列出USB端口电源的设计方案图，如下： 该电路中，12V输入电源通过DC/DC转换成5V电源后直接供给了USB端口，没有采用磁珠隔离措施。 而在PCB layout图中，可以发现，DC/DC输出后，经过电感和电容整流，但输出电容和输入电容相隔比较远，中间又有电感挖空的区域，使得回流路径不太通畅。 解决方案： ① 在5V输出端增加一个磁珠到USB电源端口，滤除USB端口5V电源的杂波。 ② 采用人工飞线的方式把DC-DC的输入电容和输出电容的地连接起来，以减小回流路径。 实验证明，该方案可以解决USB2.0设备掉线的问题，在今后的设计中，我们需要特别注意USB端口电源的滤波问题，必须让USB设备提供一个比较纯净的电源。

ESD 防护 ESD是如何产生的 不同的物质，对外层电子的控制能力不同。当两种物体相互摩擦，对电子控制能力强的物体就会从对电子控制能力弱的物体上吸附更多的电子，从而使这两个物体都带上电荷，吸附到电子的带上了负电荷，失去电子的带上了正电荷。当带电物体和另一个物体接近或者直接接触时，若这两个物体的电荷不平衡，电荷会从一个物体转移到另一个物体上，从而实现电荷的再平衡。         电荷转移有两种方式：                            一，直接接触式，电荷通过接触点从一个物体转移到另一个物体；          二，当两带电体足够接近时，空气被电离击穿，电荷通过电离的通道从一个物体，转移到另一个物体上。   二，ESD的特点         当两个不平衡的带电体相互接近时，电荷迅速向接近点转移，当足够接近（或者）时，这时电场会很大，所以电压也很高，由于电荷转移通道阻抗很小，电荷转移几乎在一瞬间完成，所以电流会很大。   ESD参数值：         ESD电压：接触电压4KV以上，  非接触电压8KV以上         ESD电流：峰值30A以上         电流上升时间： 200ps到10ns。 由于ESD电流上升时间快，经傅里叶变换分析，ESD电流包含300M以上的频率频谱。   三，ESD是如何影响系统的         ESD影响系统包含三个方面： 一，直接损坏器件，如损坏PN结，破坏MOS电路栅极，热击穿。          二，轻微损伤，导致性能变坏，长时间会导致功能丧失。          三，造成功能错误，当ESD消失后，功能又会自动恢复。           根据ESD信号的特点和ESD形成过程，ESD损坏设备包括三种方式:                    一，ESD电流，由于ESD电流很大，进入IO口很容易造成PN结等的操作，进入地                             容易引起地弹，引起功能错误。                    二，ESD电流产生的RF辐射，通过间接的方式耦合到其它电路中。                    三，放电前，两物体间的电场。电场一般不会对电路产生太大的影响，最容易影响                             到的是敏感的高阻电路。   四，如何防护ESD         产生干扰有三个要素： 干扰体，干扰路径， 受扰体。         要做好ESD防护，就需要从这三个方面着手：                   干扰体：对于接触受保护器件的所有人或者物，必须先要除去静电，才能接触被保                                      护器件，这就从根本上解决了问题。                    干扰路径：受保护器件实现如外界的隔开，使静电无法接触到被保护物体，如放在                                        一个塑胶盒中；                                        受保护的物体容易接触到静电的地方和敏感部分实现电气隔离，如光耦                                      隔离，磁隔离                     受扰体：增加受扰体本身抗ESD干扰能力。          提高抗ESD能力有三个部分：元器件级，PCB级，系统级。        元器件级：                 对于容易受到ESD干扰的敏感部分，有两种防护措施：                 ESD干扰进入后，经过衰减到可以承受的等级，再经过敏感部分，这种器件有：                           串入电阻，电感，铁氧体材料，磁珠                将ESD能量引导到其它抗干扰能力更强的部分，一般是地。                           火花间隙，空气放电管                           TVS，雪崩二极管                           电容                 根据实际情况，可以单独使用其中的一种方案，或者两种方案混合。          PCB级：                 一，加强地线。                           ESD能量直接进入地或者通过其它手段引导到地，由于ESD瞬时电流很大，很                           小的地阻抗都会产生很大的电压差，这会导致逻辑错误甚至为会损坏电路。                           1，在PCB的底层和顶层进行地覆铜。                           2，采用多层PCB电路板，使用单独一层做地。使用多层板比双层板能提高10                              到100倍的防护间接ESD影响的能力。                 二，加护沟进行合理的分区。                           1，按照功能，把电路划分为几块，防止电路之间的相互影响。                           2，ESD进入地后，应该防止ESD电流进入特别敏感的电路部分，这时就应该                              根据功能将电路和地进行合理的分区，分区之间采用单点接地，引导ESD                              电流的流向。                 三，对于特别敏感的导线的电路进行处理，如高阻抗部分。                 四，对于两地电路板之间的连接，应确保连接器之间的低接地阻抗。如两地板通过                      插针连接时，应该有足够多的地插针，而且地插针位置也要合理。                 五，减少环路面积，包括信号环路和电源环路。                           环路电流既容易对外产生RF辐射，也容易接收外接的辐射。                 六，确保电源和地之间的紧耦合。                           两种方法： 地和电源之间尽量靠近；  地和电源之间有足够的退耦电容。                           当干扰进入后，如果影响到电源或者地，由于电源和地的紧耦合，电源和地会                           一起跳动，但电位差不会变，这样就加强了系统的稳定性。                 七，信号线要尽量靠近地线，地平面，电源线，这样可屏蔽外界辐射影响信号线，                           也可以降低信号线对外部的辐射。                 八，尽量减少导线长度。导线就像个天线，导线越长，天线作用越明显。          系统级：                 一，容易受到ESD干扰的敏感部分采取一定的屏蔽措施或者绝缘措施，使ESD无                           法到达敏感部分，如加屏蔽罩，通过壳体与外界保持足够的距离。                 二，I/O电缆加干扰抑制器。                 三，机架地的连接为低阻抗。 保护连带的实施       什么是保护边带：       保护边带是在PCB四周（顶层和底层）设置一圈导线。          保护边带的作用：        防止ESD经辐射或者传导耦合直接对元件产生影响。          实施保护边带应注意的事项：        1，应去掉保护边带的绝缘层，将保护边带的铜皮直接裸露在外面，这样更容易吸收静电荷。        2，保护边带应与元器件，导线保持最少0.5cm的距离，确实保护边带与电路间电压击穿，两者之间不会发生ESD电流电弧放电。        3，保护边带不应够成一个封闭的环。封装的环相当于一个磁场环路天线，容易接受外部的辐射。                    4，将保护边带分为几段，分段之间的宽度要大于0.5mm，因为越近，寄生电容就越大，对于高频来说，相当于通路。