簡 介： 對于電路板設(shè)計(jì)中，需要考慮到靜電放電（ESD）可能帶來的影響?？梢酝ㄟ^對于PCB上的接頭保護(hù)、端口保護(hù)以及器件選擇方面來提高系統(tǒng)抗ESD影響的能力。
關(guān)鍵詞： ESD，PCB

01 靜電放電與電路

??在一些環(huán)境下，靜電很容易積累并在放電的時(shí)候產(chǎn)生很大的電擊。小時(shí)候，我們故意穿著襪子在地毯上來回走動(dòng)，然后尋找機(jī)會(huì)去觸碰別人引起別人電擊驚嚇。如果你是一位設(shè)計(jì)電路板的工程師這種現(xiàn)象則對于電路板并不友好。

??被電擊后驚訝之余，我們并不太擔(dān)心，因?yàn)槠胀o電不會(huì)傷害到我們，但對于脆弱的電子線路則未必，它們往往在你沒有覺察到的電壓下就會(huì)領(lǐng)盒飯。因此你需要充分考慮到對所設(shè)計(jì)PCB進(jìn)行靜電保護(hù)方案。

??下面是今年暑假期間太原工業(yè)學(xué)院隊(duì)員在參加全國總決賽線上比賽時(shí)，將車模背后上粘貼的鋁箔膠帶費(fèi)勁的糾撕下來，為的是能夠顯示車模背面沒有安裝干簧管、HALL器件等。

??那么為什么他們在車模背面粘貼鋁膜呢？吃飽了？這是因?yàn)樗麄兿胪ㄟ^這種方法避免車模在PVC賽道上運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的靜電對于控制電路帶來的影響。

02 什么是ESD？

??靜電放電（Electrostatic ?Discharge:ESD）是在兩個(gè)帶有不同電荷物體靠近時(shí)，如果它們之間電壓差足夠高，就會(huì)將它們之間間隙空氣電離之后，產(chǎn)生電火花。對于普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品，產(chǎn)生空氣放電需要在有超過 40kV/cm 的電場強(qiáng)度時(shí)才會(huì)發(fā)生。

??空氣溫度、濕度、氣壓等都會(huì)對靜電放電產(chǎn)生影響。比如在潮濕環(huán)境內(nèi)，空氣的導(dǎo)電性能增加，這會(huì)使得聚集在物體上的電荷被釋放到周圍環(huán)境中，從而使得靜電放電不容易產(chǎn)生。

??這就奇觀了，明明在夏天進(jìn)行的智能車競賽，為何很多隊(duì)伍都在車模上增加防止靜電的鋁膜呢。估計(jì)這是他們在冬天制作的車模，尚未將原來粘貼的鋁膜去除。

??通常人們誤以為靜電放電必須是在兩點(diǎn)之間的電壓大于某個(gè)固定值才會(huì)發(fā)生。實(shí)際上放電所需要的電壓與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離、導(dǎo)體的形狀都有關(guān)系。IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)^[1] 對于不同情況下導(dǎo)體安全電壓給予了規(guī)定。

??人們熟悉的陰雨天氣中閃電是發(fā)生在云層與地球之間的靜電放電，此時(shí)云層與地球之間相當(dāng)于形成了存儲(chǔ)電荷的兩個(gè)極板。相比于閃電，當(dāng)你黑暗光線下抖動(dòng)羊毛地毯時(shí)也能看到微弱的靜電火花就顯得稀松平常，但稍不注意它們會(huì)對PCB造成不可挽回的損失。

03 EDS如何影響PCB？

??當(dāng)人手持印刷電路板（PCB）靠近帶有電荷物體，比如人體、包裹、電纜，或者其他可能匯聚大量電荷的物體，都可能產(chǎn)生靜電放電。這些匯聚電荷在短時(shí)間內(nèi)的釋放會(huì)產(chǎn)生很大的電流脈沖，電流會(huì)在芯片內(nèi)部，電路板中產(chǎn)生大量熱量。極端情況下，脈沖電流會(huì)將芯片，電路板燒壞。

??當(dāng)電路直流通路的電阻很小的時(shí)候，電脈沖所產(chǎn)生的熱量在短時(shí)間內(nèi)只能通過紅外輻射耗散。PCB中有靜電放電常見到的區(qū)域，所以在考慮ESD保護(hù)時(shí)需要關(guān)注這些特殊的區(qū)域。

04 IC中靜電放電

??靜電放電脈沖以及它引起的電流會(huì)在集成電路（IC）的芯片內(nèi)產(chǎn)生熱量并損壞器件。下面顯示了電路中芯片靜電放電以及在電路內(nèi)芯中所引起燒蝕的情況。

??特別是現(xiàn)在的集成電路內(nèi)部都是使用更佳密集的光刻線路，這使得它們承受靜電放電能力更弱。有的在輸入電壓高于其工作電壓（3.3V，或者更低的工作電壓）時(shí)都會(huì)引起放電，其后果往往是災(zāi)難性的。上面圖片右邊所顯示的就是靜電放電所帶來的損壞情況。

05 接頭中靜電放電

??插頭本身并不產(chǎn)生靜電，但它們可能會(huì)聚集靜電。當(dāng)有人插接電纜或者按動(dòng)按鈕時(shí)則會(huì)引起靜電對PCB的釋放，從而對設(shè)備帶來危險(xiǎn)。特別是對于一些懸浮的接頭就是潛在的靜電事情產(chǎn)生之源，有時(shí)會(huì)在插接過程中能夠看到放電過程。

??避免接頭放電的最好辦法就是將接插件中懸浮的插針進(jìn)行接地。對于有屏蔽接插頭也需要與外殼進(jìn)行良好的連同。這些方法可以避免靜電的聚集。

??最好使用低阻抗的導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)，不要使用電容進(jìn)行保護(hù)。不要通過內(nèi)部PCB與外殼之間形成靜電放電回路。

??在PCB設(shè)計(jì)中很多因素都會(huì)影響到靜電放電的影響，比如線徑寬度、布線、分層、電子器件擺放以及電路留白空間等。在設(shè)計(jì)的早期階段就應(yīng)該考慮放電保護(hù)，否則等出現(xiàn)問題你就會(huì)面臨大動(dòng)干戈的麻煩。

06 PCB中ESD保護(hù)

??對于PCB的靜電放電保護(hù)就是避免ESD電流流向你的電路，將它們通過低阻抗的通路對地進(jìn)行釋放。對于連接件的外殼接地中，應(yīng)該遠(yuǎn)離內(nèi)部PCB。

??通常齊納二極管會(huì)被常用在保護(hù)電路的IO口，齊納二極管有時(shí)被稱為電壓波通抑制器件。下面電路顯示了負(fù)載輸入端口被齊納二極管保護(hù)的情況。這些二極管 應(yīng)該盡可能靠近靜電放電源頭。

??其它用于靜電放電保護(hù)的器件包括有氣體放電真空管， TVS二極管，或者變阻器等。請注意，TVS二極管常用在重要界面保護(hù)中，它并不是一個(gè)簡單的二極管，它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

??在USB， 局域網(wǎng)，I2C，RS-485,RS-232以及其他數(shù)字接口中，通常使用TVS二極管來保護(hù)PCB內(nèi)部集成電路免受 接口ESD的影響，如果接口還有金屬外殼，所有懸浮接頭都良好接地，靜電放電保護(hù)效果會(huì)更好。

??器件的使用手冊會(huì)給出 ESD的防護(hù)等級，這需要與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相匹配（比如車載級別、航空級別等）。當(dāng)你所設(shè)計(jì)電路容易由ESD引起故障時(shí)，可以適當(dāng)選擇高等級的器件。

參考資料

[1]IPC-2221標(biāo)準(zhǔn): https://resources.altium.com/p/using-an-ipc-2221-calculator-for-high-voltage-design