簡 介： 對于電路板設(shè)計中，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、端口保護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候產(chǎn)生很大的電擊。小時候，我們故意穿著襪子在地毯上來回走動，然后尋找機會去觸碰別人引起別人電擊驚嚇。如果你是一位設(shè)計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，因為普通靜電不會傷害到我們，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領(lǐng)盒飯。因此你需要充分考慮到對所設(shè)計PCB進行靜電保護方案。

??下面是今年暑假期間太原工業(yè)學(xué)院隊員在參加全國總決賽線上比賽時，將車模背后上粘貼的鋁箔膠帶費勁的糾撕下來，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？這是因為他們想通過這種方法避免車模在PVC賽道上運行時所產(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）是在兩個帶有不同電荷物體靠近時，如果它們之間電壓差足夠高，就會將它們之間間隙空氣電離之后，產(chǎn)生電火花。對于普通的消費電子產(chǎn)品，產(chǎn)生空氣放電需要在有超過 40kV/cm 的電場強度時才會發(fā)生。

??空氣溫度、濕度、氣壓等都會對靜電放電產(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，明明在夏天進行的智能車競賽，為何很多隊伍都在車模上增加防止靜電的鋁膜呢。估計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之間的電壓大于某個固定值才會發(fā)生。實際上放電所需要的電壓與兩個導(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，此時云層與地球之間相當(dāng)于形成了存儲電荷的兩個極板。相比于閃電，當(dāng)你黑暗光線下抖動羊毛地毯時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間內(nèi)的釋放會產(chǎn)生很大的電流脈沖，電流會在芯片內(nèi)部，電路板中產(chǎn)生大量熱量。極端情況下，脈沖電流會將芯片，電路板燒壞。

??當(dāng)電路直流通路的電阻很小的時候，電脈沖所產(chǎn)生的熱量在短時間內(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保護時需要關(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）時都會引起放電，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，但它們可能會聚集靜電。當(dāng)有人插接電纜或者按動按鈕時則會引起靜電對PCB的釋放，從而對設(shè)備帶來危險。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，有時會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行接地。對于有屏蔽接插頭也需要與外殼進行良好的連同。這些方法可以避免靜電的聚集。

??最好使用低阻抗的導(dǎo)線進行保護，不要使用電容進行保護。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)計中很多因素都會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)計的早期階段就應(yīng)該考慮放電保護，否則等出現(xiàn)問題你就會面臨大動干戈的麻煩。

06 PCB中ESD保護

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

??通常齊納二極管會被常用在保護電路的IO口，齊納二極管有時被稱為電壓波通抑制器件。下面電路顯示了負載輸入端口被齊納二極管保護的情況。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中，它并不是一個簡單的二極管，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，靜電放電保護效果會更好。

??器件的使用手冊會給出 ESD的防護等級，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)計電路容易由ESD引起故障時，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