ESD通过传导干扰造成电路系统不稳定问题的分析与解决方法

摘 要：在大自然环境中，静电现象随处可见，由于人体是导体，所以也带静电。日常生活中，人们经常会不经意间用手触摸电子产品，经常会听到啪的一声，这就是人体和电子产品发生了静电放电现象。由于静电放电电压等级会很高，人体静电很容易影响电子产品的正常使用，严重时甚至会损坏电子产品内部的芯片，导致产品无法正常工作。在春季、夏季或冬季，由于空气湿度较大，静电容易被空气中的水分子释放，所以不容易被人体累积。在冬季，由于空气干燥，导致静电极易积累在人体，特别是穿了羽绒服，人体静电最高可达几万伏。电子产品正常的工作电压不会超过几十伏，如果上万伏的电压瞬间被注入电路板，没有人和防护的情况下，电路板极可能会被静电打坏。因此，在做电子产品设计时，必须做静电防护措施，防止因外部静电产生的高电压，以耦合或传导的方式进入电子产品内部造成设备损坏。静电对电路系统的影响主要分为两种途径，传导干扰和耦合干扰，也称之直接干扰和间接干扰。针对不同的干扰类型，应采取不同的解决措施。文中主要介绍传导干扰对电路系统造成的不稳定性，通过简单实用的方法解决电子产品研发中遇到的ESD问题。笔者结合项目开发和多年的实战研究，根据ESD的影响方式，总结出多种解决ESD问题的方法，主要有：绝缘或隔离受ESD干扰的电路、增加被ESD干扰线路的阻抗、降低电路的电源系统阻抗、通过舜态电压抑制管以及通过RC滤波器等。文中摈弃一些空洞的算法、仿真和建模，重点讲述解决问题的思路和方法，并取得了很好的实践效果。

关键词：ESD;传导干扰;空气放电;接触放电;电荷碰撞平衡;静电

0 引 言

静电放电是非常普遍的一种自然现象，在人们生活中也时常遇到，如空气干燥的冬季，身穿棉袄的人手碰到门把、电视机、车钥匙或手机等时，会听到啪的一声，甚至会看到电火花。再比如大家去加油站，手拿油枪前，都会去触摸加油机上的静电释放球，以防止人体静电引起火灾。由于电子产品的内部电路，工作电压一般不超过12 V，当几万伏的静电后打到电路板，肯定会击穿电路板的芯片，最终导致整个电子产品无法正常工作。因此，静电防护是电子产品设计中必须要考虑的环节。

人们通过研究后发现，静电对电路板的干扰有多种方式，针对不同的干扰方式，应采用不同的解决方法和措施。对于工程研发人员，解决ESD问题争取以最低的成本解决静电的干扰问题。笔者结合项目开发和多年的实战研究，根据ESD的影响方式，总结了多种解决ESD问题的方法：絕缘或隔离受ESD干扰的电路、增加被ESD干扰线路的阻抗、降低电路的电源系统阻抗、通过舜态电压抑制管以及通过RC滤波器等。本文主要介绍ESD通过传导干扰引起电路系统不稳定的原因和解决方法。

1 ESD引起电路系统不稳定问题的主要途径

日常生活中，人体静电放电现象随处可见，如空气干燥时玩手机，当用手触摸到手机的铁框时，如果听到啪的一声，此时人体对手机发生了ESD放电现象。如果手机没有做ESD防护，刚才人体对手机的ESD放电可能会导致手机无法正常工作，甚至导致手机被刚才的ESD放电打坏。

静电放电的过程本质上是电能量的转移，电能量一般情况下是通过传导输出或磁场辐射的方式，从人体被传送至电子产品，最终干扰了电子产品的正常工作。这两种传输方式也被称作直接传输和间接传输，本文主要介绍直接传输（也称为传导干扰）。

传导干扰，又称为直接干扰，指静电放电产生的大电流直接进入电路板内部。通常情况直接干扰引起的ESD问题都比较严重，比如系统重启、死机等现象，甚至会永久损坏电子设备。我们都知道，相比电子元器件，人体产生的静电电压等级会高很多，尤其是在空气干燥的冬季，人体静电电压可能达到15 kV以上。

集成电路又称为芯片，其内部都是由许多的晶体管构成，一般的电子元器件，其耐压等级一般不超过几十伏。当超过这个等级的电压进入电路板，就有可能对芯片造成永久性损坏。因此在电子产品设计中，ESD防护是非常重要的一个环节，是设计中必须要考虑并且解决的。如果不考虑ESD防护问题，当人触摸电路板时产生静电放电，如此高的电压进入到电路系统，就会引起系统许多芯片误动作，上万伏的电压极容易损坏芯片。

图1所示为静电传导干扰的一个典型例子。按键S1直接连接到系统CPU的通用I/O口，用做功能检测。该电路未做任何ESD防护，由于操作人员会经常触碰该按键，因此按键容易受到人体ESD的影响。现场反馈，设备的该按键在诸多现场都出现了失效现象，对从现场退回来的板卡分析后发现，该按键连接CPU的I/O口被大电压击穿了，导致按键功能失效。

2 ESD的测试标准

静电问题对电子产品的影响是至关重要的，因此各个行业在电子产品在出厂前都有相关的静电测试标准。如：消费电子行业要求，所有的消费电子产品出厂必须做静电测试，测试等级是空气放电8 kV，接触放电4 kV;工控行业要求，工业控制设备的静电测试标准为空气放电15 kV，接触放电8 kV等。 针对静电测试的标准当前也比较多，要掌握如何解决电子产品设计中遇到的ESD问题，首先需要对当前针对ESD要求的国际标准有所了解。

（1）静电测试分为空气放电和接触放电两种，通常情况下，对电路板能接触到的端口、拨码、按键等应该打接触放电测试。如果电路板上面不能直接接触，但是会间接触摸的器件打空气放电实验，如电路板上的长柄按键，因其按键帽很高，所以需要做空气放电测试。

（2）表1为GB17626要求的ESD试验等级，空气放电和接触放电的等级会有所不同。

（3）ESD发生器内部电路原理如图2所示，特性见表2所列。

（4）静电发生器波形特性参数见表3所列。

（5）静电放电发生器输出电流的波形，如图3所示。

3 ESD传导干扰的解决方法

3.1 瞬态电压抑制方式

TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管，又称为瞬态抑制二极管，是当前被普遍应用的一种新型高效ESD电路保护器件。该保护器件对ESD的响应时间（小于纳秒级）极短，并且浪涌的吸收能力强。当TVS管的两端受到瞬间的高电压冲击时，该保护器件能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗變为低阻抗，可以吸收瞬间大电流，把两端的高电压箝制为预定的低电压（后级电路承受范围内），从而保护后级的电子元件不受瞬态高压尖峰的冲击。采用该方法时，电路板的地平面阻抗一定要小，否则TVS泄放的大电流会导致系统出现其他故障。

选择TVS管时的主要参数包括：响应时间、瞬间功率、最大的结电压、最大钳位电流和反向的击穿电压等。一般瞬态抑制二极管主要应用在ESD防护等级高、通信速率快、有可能存在双向干扰等电路中。

TVS选型注意事项如下。

（1）确定被保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电压，应该计算出电压的最大值。

（2）若干扰源有可能来自两个方向的尖峰脉冲电压（浪涌电压）冲击时，TVS管应该选用双向的，其他情况选用单极性TVS管即可。直流保护一般选用单极性TVS管，交流保护一般选用双向TVS管，如果需要多路保护，可选用TVS阵列器件，大功率保护选用TVS专用保护模块。

（3）选择TVS的VRWM（反向工作峰值电压）等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计，否则TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，器件面临被损坏的危险，从而影响电路的工作。

（4）所选TVS管的最大箝位电压（VC）应小于被保护电路所允许的最大承受电压。

（5）如果知道比较准确的浪涌电流Ipp，则可利用VcIpp来确定功率。如果无法确定Ipp的大致范围，则选用功率大些的TVS为好。Pm是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗Pm越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗Pm下，箝位电压Vc越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。

（6）TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，不然有可能损坏TVS。

（7）确定了TVS的最大箝位电压Vc后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

（8）对于一些高速信号，在选型TVS管时除了注意其通信速率外，还应注意TVS管的结电容是否可以满足要求。

（9）TVS的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，所选的TVS的反向击穿电压应当大于1.8～2倍的受保护电路的工作电压。当TVS应用在通信信号回路时，所选的TVS的反向击穿电压应当等于1.2～1.5倍的受保护电路的工作电压。

选择TVS管最重要的标准就是看其泄放功率，笔者在此介绍一种快速的计算方法来确定所选TVS功率。假如所防护的静电等级为8 kV，波形曲线为1 ns/60 ns。根据ESD电压等级，可确定ESD产生的电流约为25 A（8 kV/330 Ω，其中330 Ω为ESD发生器内阻），假如所选TVS管的残压为46 V，则该TVS的功率应大于1.1 kW（波形在1 ns/60 ns）。该数据可在TVS规格书中查询，比如常用的SMBJ28CA管，其功率/td对照表如图4所示。

类似TVS这样的防护器件，都是将高电压转换成大的电流，再将其泄放至电路板的地平面或者电源系统，因此电路板的电源系统抗扰动的能力要足够强，否则即便TVS能够保护元器件不被ESD损坏，但整个系统的ESD实验可能仍无法通过测试。

图5为电梯系统厅门外的显示板，在对CAN总线端口打+6 kV静电时（备注，CAN总线有TVS防护，理论可防护等级：接触放电±16 kV）。但实际上，该端口每打一枪，板卡都会出现复位或死机现象，最终导致测试不通过。通过分析和实验测试，发现是由于该电路板的地平面被分割成很多块导致阻抗过高，+6 kV静电被TVS转换成大电流后泄放至地平面，使得电源系统扰动过强，引起MCU复位。

3.2 增加传输线回路阻抗

当电子产品需要做ESD防护时，大家首先想到的方法应该是如何阻止ESD进入电路板，将ESD拒之电路系统外。通常的做法是从产品的壳体上防护ESD，或者通过隔离的方法防护ESD，只有实在没有办法的情况下，才考虑如何通过提高电路板设计来解决ESD问题。对于处理电路板ESD问题，笔者将其总结为四个字“先防后扛”，下面叙述如何通过增加回路阻抗防护ESD干扰。

常规的按钮端口、通信端口和显示接口等，端口连到CPU的I/O口，均需要考虑ESD防护。有少数通信芯片内部集成ESD防护器件，比如RS 232芯片，自身可防护±15 kV的ESD。但是大多数电子元器件自身I/O口的ESD防护能力只有±2 kV以下，此时需要借助其他方法增强其ESD的防护性能，这里介绍一种比较经济有效的方法—增强被干扰传输线回路的阻抗，如图6所示。

图7为打静电时，整个系统的等效电路模型，当电路中没有串联电阻时，系统打8 kV静电时，静电枪在该回路产生的电流约为25 A（8 kV/330 Ω）。

该电流可以轻松击穿集成电路。但被保护回路一旦串入电阻后，则ESD产生的电流会被降低。例如ESD强度为8 kV，回路串入1 kΩ电阻后，ESD在该回路产生的电流I（单位：A）可通过欧姆定律计算：

从式（1）得知，在对传输线回路阻抗增强后，ESD在回路中产生的干扰电流由原来的25 A，瞬间被降低到6 A。

该方法适合应用在低速传输信号、普通通信口或者按键接口等，使用该方法解决ESD问题，最大的优点就是设计简单且成本低。但在今后设计中，采用该方案应注意以下几个问题：

（1）对于传输速率较高的信号，电阻值应尽量小，否则影响正常通信;

（2）选用电阻时，应注意电阻的功耗问题，如小封装电阻，可预防的ESD等级比较低;

（3）对于高速信号，可采用增加隔离电容的方法，注意电容值的选取一定要合理;

（4）由于ESD會造成电子元器件累计损伤，可能测试阶段未发现ESD问题，但实际应用到现场，几年后会有电路失效的风险。比如，一开始板卡的端口通过ESD测试，但产品使用几年后，由于每一次产生的ESD放电现象都会损伤电阻，当达到一定程度，电阻失效后，ESD会导致系统出问题。

3.3 阻容电路吸收ESD能量

在此首先介绍带电物体电荷碰撞平衡实验：两个铁球，一个带电荷，一个不带电荷，当发生碰撞后，两个铁球的电势相等，不带电的铁球带了电，而带电的铁球电荷变少了。则电容器电量和电压的计算公式：

式中：C为电容值，单位为F;Q是电量，单位为C;U为电压，单位为V。

前文介绍过静电枪的内部结构，由图3得知静电枪内部的电容为150 pF。当静电枪直接打在电路板端口，设定的ESD电压将完全被传导至板卡，端口若不做任何防护此时静电对系统的损伤将达到最大。如果在端口前级并一个电容到地平面，如图8所示，该电容会将ESD电压均分掉，如同中学物理课做的带电铁球碰撞实验。

假如在端口并联100 nF电容，当对端口打+8 kV的ESD电压，电荷通过碰撞会达到平衡，再根据电容的计算公式，最终得出该电容两端的电压为12 V左右，如下：

并联100 nF电容，后级电压再经过1 kΩ的电阻，+8 kV静电产生的干扰电流，经过RC电路到后级只有12 mA电流，该电流完全在芯片可承受的电流范围内。

采用RC电路的方式防护ESD，需要注意以下几点：

（1）选择的电容容值和耐压值，一般选的陶瓷电容耐压值也就是50V以内;

（2）如果负载阻抗比保护电路的串联阻抗大时，ESD产生的电压会持续很长时间，保护电路通过电荷平衡原理、降低电流的方式达到ESD防护作用;

（3）如果负载阻抗比保护电路的串联阻抗小，ESD所产生的电压持续时间比较短，RC电路将是一个低通滤波器，从而使得ESD电压衰减更大，因此保护的性能更好;

（4）当传输信号的速度比较快时，RC低通滤波器所选的电容值将会很小，就很难再起到防护ESD的作用，此时最好的防护方式就是采用TVS管的方式，注意，TVS价格成本比较高;

（5）如果被防护对象为射频信号，注意所选的电容值和电阻会引起微带线或带状线的特征阻抗发生变化，导致射频发射功率衰减。

4 结 语

对于很多刚从事电子产品设计的工程师来说，大家对静电问题都很陌生，因为在学校里只学了电路原理，并未涉及过任何与产品可靠性相关的研究。包括笔者在内，做电子产品设计前三四年，最没把握的就是解决EMC问题，感觉ESD问题难度最大。造成这种状况主要由两个问题导致：

第一，当前很少有专门研究产品EMC设计的相关工作人员，大家都是做产品设计的，也许积攒了多年的设计经验，但忙于工作，没有时间将其总结，并传授给新人;其次，对于搞开发的人员来说，技术能力好一些的人，且善于技术交流的人，可能工作几年后都专做管理岗位，因此在这方面，很难有技术被积累下来，所以当新人遇到问题后，也难找到合适的人去咨询。

本文主要介绍如何解决电路设计中ESD引起传导干扰的问题，笔者通过参考多本电子产品可靠性设计书籍，并结合实际研发工作中遇到的问题，总结了一套解决电子产品ESD问题的方法，并将其整理成文档。

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