【IoT】电子产品如何做防静电 ESD 设计

静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦、电器间感应等。静电的特点是长时间积聚、高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。

人体自身的动作或与其他物体的接触，分离，摩擦或感应等因素，可以产生几千伏甚至上万伏的静电。静电在多个领域造成严重危害。

摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害，常常造成电子电器产品运行不稳定，甚至损坏。

生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿、屏蔽与接地。

人体静电防护系统主要有防静电手腕带、脚腕带、脚跟带、工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成，具有静电泄放，中和与屏蔽等功能。

ESD 保护对高密度、小型化和具有复杂功能的电子设备而言具有重要意义。

ESD 静电保护有两种元件：

一种是硅基材料的，一种是高分子材料的。

硅基材料的原理和 TVS 管是差不多，先钳位高电压，然后放电泄地。

ESD 静电二极管、ESD 静电保护器、ESD 保护二极管等保护器件最关键的参考系数有以下三点：

1）快速响应时间

2）低箝位电压

3）高电流浪涌承受能力

ESD 二极管原理：

将 ESD 静电保护二极管并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作，当电路出现异常过压并达到其击穿电压时，它迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护被保护 IC 或线路；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。

当电压超过二极管的导通电压的时候，就导通接地放掉，正常信号一般达不到导通电压，不会达到该电压，所以不会通过地损耗，而 ESD 电压一般超过导通电压，从而会使二极管导通，ESD 电压通过接地放掉，防止打坏仪器内部。

对于实际电子产品来说，静电危害极大，如何进行防护呢？

在进行静电防护设计时通常分为三步：

1）防止外部电荷流入电路板而产生损坏；

2）防止外部磁场对电路板产生损坏；

3）防止静电场产生的危害。

在实际电路设计中我们会采用以下几种方法的一种或几种来进行静电保护：

1）ESD 二极管来进行静电保护：

这也是设计中经常用到的一种方法，典型做法就是在关键信号线并联一雪崩二极管到地。

该法是利用 ESD 二极管快速响应并且具有稳定钳位的能力，可以在较短的时间内消耗聚集的高电压进而保护电路板。

2）使用高压电容进行电路保护

该做法通常将耐压至少为 1.5KV 的陶瓷电容放置在 I/O 连接器或者关键信号的位置，同时连接线尽可能的短，以便减小连接线的感抗。

若采用了耐压低的电容，会引起电容的损坏而失去保护的作用。

3）采用铁氧磁珠进行电路保护

铁氧磁珠可以很好的衰减 ESD 电流，并且还能抑制辐射。

当面临着两方面问题时，一个铁氧磁珠会时一个很不错的选择。

4）火花间隙法

在铜皮构成的微带线层使用尖端相互对准的三角铜皮构成，三角铜皮一端连接在信号线，另一个三角铜皮连接地。

当有静电时会产生尖端放电进而消耗电能。

5）采用 LC 滤波器的方法进行保护电路

LC 组成的滤波器可以有效的减小高频静电进入电路。

电感的感抗特性能很好的抑制高频 ESD 进入电路，而电容有分流了 ESD 的高频能量到地。

同时，该类型的滤波器还可以圆滑信号边缘而较小 RF 效应，性能方面在信号完整性方面又有了进一步的提高。

6）多层板进行 ESD 防护

多层板也是一种有效防止 ESD 的一种手段。

在多层板中，由于有了一个完整的地平面靠近走线，这样可以使 ESD 更加快捷的耦合到低阻抗平面上，进而保护关键信号的作用。

7）电路板外围留保护带的方法保护法

这种方法通常是在电路板周围画出不加组焊层的走线。

在条件允许的情况下将该走线连接至外壳，同时要注意该走线不能构成一个封闭的环，以免形成环形天线而引入更大的麻烦。

8）采用有钳位二极管的 CMOS 器件或者 TTL 器件进行电路的保护

这种方法是利用了隔离的原理进行电路板的保护，由于这些器件有了钳位二极管的保护，在实际电路设计中减小了设计的复杂度。

9）多采用去耦电容

这些去耦电容要有低的 ESL 和 ESR 数值，对于低频的 ESD 来说，去耦电容减小了环路的面积，由于其 ESL 的作用使电解质作用减弱，可以更好的滤除高频能量。

总之，ESD 虽然危害巨大，但是，只有保护好电路上电源和信号线，那么就能有效的防止 ESD 的电流流入 PCB 中，一个板子的良好接地才是王道。

以采用 TVS 二极管防止 ESD 为例：

最小击穿电压和击穿电流、最大反向漏电流和额定反向关断电压等参数对电路的影响及选择准则，并针对便携消费电子设备、机顶盒、以及个人电脑中的视频线路保护、USB 保护和 RJ-45 接口等。

随着移动产品、打印机、PC，DVD、机顶盒（STB）等产品的迅速发展，消费者正要求越来越先进的性能。

半导体组件日益趋向小型化、高密度和功能复杂化，特别是像时尚消费电子和便携式产品等对主板面积要求严格的应用很容易受到静电放电的影响。

一些采用了深亚微米工艺和甚精细线宽布线的复杂半导体功能电路，对电路瞬变过程的影响更加敏感，将导致上述的问题更加激化。

TVS 二极管防护 ESD 原理：

电路保护元件的选择应根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。

此外，了解保护元件的特性知识也非常必要，需要考虑的重要因素之一是器件的箝位电压。

所谓箝位电压是在 ESD 器件里跨在瞬变电压消除器（TVS）上的电压，它是被保护 IC 的应变电压。

因为利用先进工艺技术制造的 IC 电路里氧化层比较薄，栅极氧化层更易受到损害。

这意味着较高的箝位电压将在被保护 IC 器件上产生较高的应变电压，并且增加了失效的概率。

很多保护元件都被设计成可吸收大量的能量，由于元件结构或设计上的原因也导致其具有很高的箝位电压。

由于变阻器的箝位电压太高，他们不能够提供有效的 ESD 保护。

此外，由于变阻器的高电容他们也不能给高速数据线路提供保护。

TVS 二极管正是为解决此问题而产生的，它已成为保护便携电子设备的关键性技术。

TVS 二极管是专门设计用于吸收 ESD 能量并且保护系统免遭 ESD 损害的固态元件。

如果应用得当，TVS 二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。

值得注意的是，不管选择怎样的 TVS 器件，它们在电路板上的布局非常重要。

TVS 布局前的导线长度应该减到最小，因为快速（0.7ns）ESD 脉冲可能产生导致 TVS 保护能力下降的额外电压。

卫朋

人人都是产品经理受邀专栏作家，CSDN 嵌入式领域新星创作者、资深技术博主。2020 年 8 月开始写产品相关内容，截至目前，人人都是产品经理单渠道阅读 56 万+，鸟哥笔记单渠道阅读200 万+，CSDN 单渠道阅读 210 万+，51CTO单渠道阅读 180 万+。

卫朋入围2021/2022年人人都是产品经理平台年度作者，光环国际学习社区首批原创者、知识合作伙伴，商业新知 2021 年度产品十佳创作者，腾讯调研云2022年达人榜第三名。

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