标签: ESD保护器件

静电是人们非常熟悉的一种自然现象。静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静 电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而， 静电放电 ESD 却 又 成为电子产品 和 设备 的 一种 危害，造成 电子产品 和 设备 的功能 混乱甚 至部件 损坏 。 现代半导体器件 的 规模越来 越大， 工作电压越来越低 ， 导致了半导体 器件 对外 界 电磁骚扰 敏感程度也大大提高。 ESD 对于电路 引起的 干扰 、 对 元器件、 CMOS 电路 造成的 破坏 等 问题越来越 引起人 们 的 重视 。 电子设备 的 ESD 也开始作为电磁相容性测试 的 一项重要内容写入国家标准 和 国际标准 中。 1、 静电 成因及其危害 静电是两种电系数不同的物质摩擦时，正负极性的电荷分別积累在两个物体上而形成。当两个物体接触时，其中一个趋从于另一个吸引电子，因而两者会形成不同的充电电位。就人体而言，衣服与皮肤之间的摩擦发生的静电是人体带电主要原因之一。 静电源于其它物体接触时，依据电荷中和的物理存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。在高速电量的传送过程中，将产生潛在的破坏电压、电流以及电磁场。严重时，将其中物体击毁，这就是静电放电。国家标准中定义：静电放电是具有不同降低电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（ GB/T4365-1995）,一 般 用 ESD表示。ESD 会导致电子设备严重损坏 或操作失常。 静电对器件造成的损坏有显性和隐性两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压高、温等条件下极易损坏。 2 、产品 的 PCB 设计 现在产品的 PCB都是 高 密度板，通常 为 4 层 板 ，随着 密度的增加， 趋势 是使用 6 层 板，其 设计抑制 都需要 考虑 性能的平衡。一方 面 ，越大的空 间 可以有更多的空 间摆放 元器件， 同时 ， 走线 的 线宽 跟线距宽 ， 对于 EMI、音 频 、 ESD等各方 面 性能都有 好处 。另一方 面 ， 数码产 品 设计 的小巧又是 趋势的 需要。所以， 设计时 需要找到平衡 点 。就 ESD問題而言， 设计 上需要注意的地方很多，尤其是 关于 GND 布线 的 设计 以及 线距 ，很有 讲究 。有些 产品 中 ESD存在很大的 问题， 一直找不到原因， 通过反复 研究 跟实验 ， 发现 PCB 设计 中 出现 的 问题 。 为此 ， 这里总结了 PCB 设计 中 应该 注意的要 点 ： 1、PCB板 边 （包括通孔 Via 边 界） 跟 其它 布线 之 间 的 距离在 大 于 0.3mm; 2、PCB板 边 最好全部用 GND 走线 包 围 ； 3、GND 跟 其它 布线 之 间 的 距离 保持在 0.2mm~0.3mm； 4、Vbat 跟 其它 布线之间距离 保持在 0.2mm～0.3mm; 5、重要的 线 如 Reset、Clock等 于 其它 布线之间 的 距离应 大 于 0.3mm; 6、大功率的 线跟 其它 布线之间 的 距离 保持在 0.2mm～0.3mm； 7、不同 层 的 GND 之间应 有 尽 可能多的通孔（ VIa） 相连 ； 8、在最 后 的 铺地 時 应尽量 避免尖角，有尖角 应尽量 使其平滑。

一、 产品介绍： 平板电脑是一种小型的、方便携带的个人电脑，以触摸屏为基本的输入设备。它拥有的触摸屏允许用户通过触控笔，或是直接用手指来进行作业而不是传统的鼠标键盘。由于平板的轻、薄、小、低耗损和高性价比，所以越来越受到消费者的青睐。随着平板的轻薄小巧， ESD 的风险也越来越大，在设计产品时需要考虑 ESD 的保护，以提高产品的可靠性和使用的稳定性。 二、 整改案例： 1 、 整改前实验现象： 2、整改后实验现象： 3、 整改方案： 1 在按键的 KPCOL1 、 PWRKEY-R 、 KPCOL0 、 SYSRSTB 、 KPROW0 对地分别并上 ASIM TVS( 型号： ESD5C150TA ), 如图红圈处： 2 在耳机的 EINT-HP 、 HP-MIC 、 HPR 、 HPL 对地并联 ASIM TVS ( 型号： ESD5C150TA ), 如图红圈处： 3 在 USB 处的 VBUS 引脚对地并联 ASIM TVS( 型号： ESD5C150TA ) 即黄圈处 ，两条信号线、 ID 线分别对地并联 ASIM TVS （型号： ESD5C005TR ）即红圈处，如图： 4 在 HDMI 引脚 HDMI-5V 、 HDMI SCK 、 HDMI SD 、 HTPLG 处对地并联 ASIM TVS ( 型号： ESD5C005TR ), 如图：

生活中，静电放电的危害无处不在，很多电子产品都设计有对外的连接端子，最为常见的要属 USB了，现在很多电子产品都有这个接口，并且由于USB接口可热插拔，会容易产生不可避免的人为因素，导致静电损坏器件，如死机、烧板等。使用USB接口的用户迫切需求加大 ESD防护 设计的器件。 通常我们在 USB线路上布局ESD防护器件：电源线与地之间会放置一颗 CV0402VT6101 的高分子聚合物静电抑制器,参数为：6V,100PF,0402封装;差分线对数据传送速度高达480Mbps,需要器件的结电容（即寄生电容）不能太大，不然会影响数据信号传输，我们通常先择3PF以下的， CV0402VT6030T 这颗静电管的参数为6V,3PF,0402封装。这样，我们就基本从元器件部局方面对静电进行了有效的抑制和泄放。 在实际测试中，我们会发现，其实除了 ESD静电的影响，USB的辐射也是一个比较难解决的问题，除了选择比较好的USB数据线外，我们还要从板内的USB走线进行有效的布局。 USB2.0的PCB布线要遵循以下原则。 (1)差分线对要保持等长匹配，否则会影响时序偏移，降低信号的质量，增加了EMI辐射问题; (2) 差分线对之间的间距保持小于10mm,并增大与其他信号走线的间距; ( 3)差分走线要求在同一板层，不同层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果，引 起 共模噪声 ; ( 4)差分走线周边进行包地处地，并沿地隔3-5mm左右放置过孔 (5)尽量减少过孔和其他会引起线路不连续性的因素; (6)避免导致阻值不连续性的90°走线，使用圆弧或45°折线来代 替 (7) USB端引脚附近放置ESD防护器件， 并放置在端口位置 。 差分线要串联 贴片共模电感 ： CMF1210DH900MFR 。以衰减EMI共模从USB线辐射出去。

在电子产品的设计制造工艺中使用 ESD 防护器件在 STM 和 PCB 设计中应用已经很广泛，比如，经常使用的手机内部电路，还有 PC 主板中的防静电工艺等。在此我们总结归纳一下都有哪些 ESD 保护器件 。 ​ 一、 ESD ： Electrostatic Discharge 就是当静电能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象。 是一种极快的瞬间脉冲电流。 ESD 的特点是持续时间短 ( 在 0.7~1ns 之间 ) ，低能量，瞬时高电压。 二、防护措施 ESD 保护器件要有能力把静电放电的瞬间高电压抑制到被保护器件可承受的电压范围内。在为给定的应用选择最佳保护器件的时候，要考虑到 ESD 保护器件能够迅速响应并把 ESD 电压控制到较低的电平。 三、 ESD 保护器件的分类和性能对比 1) 在 ESD 的保护器件上采用硅材料技术，有代表性的如 TVS 二级管。 2) 保护器件上使用了氧化锌材料技术，如多层氧化锌压敏电阻 MLV 。 3) 以高分子聚合物技术为代表的保护器件。 4)AEM 科技新推出的新一代 ESD 保护器件 “***iode” 静电保护器，采用独有的玻璃陶瓷材料、自有专利制造工艺实现设计 ; 具有低漏电流 (<0.1nA), 强耐受静电冲击，高稳定性，低钳位电压 (<50V), 低容值 (<0.25pF) 等性能优势，相比较其它的 ESD 保护器件具有较佳的性价比。

​ TF卡在很多便携式设备中，应用比较广泛，虽然其是金属外壳，但是由于没有外露，所以其在进行ESD测试的时候主要进行空气放电。 一、 整改前现象： 整改前在 TF卡的模式下，对TF卡端口进行8KV的空气放电，音箱会出现切换模式的状态，并且无法自己回连，这不符合 IEC/EN61000-4-2 标准的 B类要求。 二、 整改方法： ​一开始只对 TF卡与MCU相连的信号线对地并联 ASIM ESD （型号： CV0402VT6030T ） ,测试有明显改善，但还是不能达到标准。分析思路：既然信号线上已经并上了ESD保护器件，那排除静电是直接通过地串扰到信号线上。再分析原理图，知此TF卡还有几个悬空的引脚，那静电很可能的干扰途径是由地与悬空引脚之间的形成一个很高电位差，这个干扰很强的电压直接从这些引脚进一步干扰TF卡。 整改措施：用 ASIM ESD (型号： CV0402VT6030T ）把悬空的引脚与地串起来，如下图。使悬空的引脚与地之间的电位差在 TF卡承受的范围之内。在进行ESD测试 ​ ​ 三、 整改后测试结果： 在 TF卡模式下对TF卡端口进行8KV的空气放电，音箱正常工作，这就符合 IEC/EN61000-4-2 标准的 B类要求。 四、 ESD抗扰度测试实质 从 ESD测试配置描述可以看出，再进行ESD测试时，需要将静电枪的接地线接至参考接地板，EUT放置于参考接地板之上，静电枪放电枪头指向EUT中各种可能会被手触摸到的部位或水平耦合板和垂直耦合板，这就决定了ESD测试是一种以共模为主的抗扰度测试，因为ESD电流最终总要流向参考接地板。 五、 ESD脉冲波的分析： 从静电放电波形分析，其上升沿时间为 0.7ns到1ns，根据傅里叶变换可知其频谱宽度能达到300MHZ。ESD器件的响应时间一般为PS级别，所以用ESD器件去防护静电是一种有效的措施。 从静电的脉冲宽度看出，静电的脉冲持续时间很短，其能量比浪涌小很多，所以绝大多数的小功率的 ESD器件足以满足对其的泄放。 六、 ESD器件的使用方法： ESD器件其主要是并联在线路上，当静电事件发生的时候，ESD器件能够瞬间导通，给静电提供一条低阻抗的回路。这里需要注意几点： 一、 ESD器件的泄放地一定要完整，完整地的定义为长宽比小于3的（没有缝隙、没有开孔）二、ESD器件必须要放在信号线的主路上，不能放在支路上，不然会使得ESD器件的效果大大降低。 三、如果 ESD器件是放在高速信号上，一定要考虑ESD结电容对信号的影响程度，信号速率越高，对ESD器件的结电容大小要求越低（即信号速率越高，ESD结电容越低）。