esd防静电解释，esd静电放电发生器

静电无处不在。北方国家的冬天特别干燥，所以当你脱掉衣服时，就会产生噼啪的静电，晚上可以看到衣服发光的现象。如果没有适当保护，这种静电放电现象也会烧毁电子设备。因此，静电防护越来越受到人们的重视。大多数IC还具有2kv抗静电功能。

1.静电放电（ESD）的原因

在正常情况下，物体是电中性的。物体通过摩擦、感应等方式获得或失去电子，从而使其带电。众所周知，绝缘体和导体之间的关系并不是绝对的，如果能量足够大，绝缘体就会击穿并产生电荷。当物体上积累了足够的电荷时，原来不导电的空气就会被破坏，从而释放电荷并进入新的平衡状态。这就是静电放电现象。通常，由于故障，电阻会变得很小，并且瞬间流过大电流。但这种静电能量并不高，因此大电流的持续时间也很短。

2. 静电放电模型及标准

根据不同的特性，静电放电模型通常分为人体模型（HBM）、机械模型（MM）和带电器件模型（CDM）。

目前，欧盟已制定了工业级静电防护标准IEC61000-4-2，日本的静电标准为GB/T 17626.2-1998，等效于欧盟标准IEC61000-4-2。下图是静电发生器的简化图和典型的静电放电模型图。

图1 静电发生器示意图

首先，左侧直流高压电源通过电阻对电容Cs充电，然后关断左侧开关，再次打开放电开关。这导致Cs上的电荷通过Rd放电放电到被测器件。电阻器。根据IEC61000-4-2标准，储能电容Cs为150pF，放电电阻Rd为330欧姆。

在人体模型中，Cs 为100pF，Rd 为1.5K，在机械模型中，Cs 为200pF，Rd 约为0 欧姆。机器模型显示，储能电容的电容量越大，充电能力就越强，而放电电阻几乎为零，意味着线路阻抗非常低。因此，高充电低阻抗放电电路具有最强的静电能力。正因如此，这款机器模型也被称为“最强悍的人体模型”。器件的充电模型是电子产品在制造和运输过程中由于摩擦和接触而积累的电荷，但实际上很难模拟放电过程。因此，尚未制定具体的测试标准。

下图为人体模型中人体最大充电电压与环境的关系。在北方国家干燥的冬季，人们穿着涤纶等合成纤维制成的衣服时，经常会产生静电，这就是静电电压高达15kV的原因。

图2 人体静电放电电压与环境的关系

IEC61000-4-2根据静电放电模型，模拟静电放电，创建了相应的静电发生器——静电发生器（又称静电枪）。图1所示为静电枪电路。基于该标准的静电放电波形如下。

图3 静电放电发生器输出电流的典型波形

可以看出，第一个尖峰的上升时间为tr=0.7至1ns。 （上升时间计算为从10% 上升到90% 所需的时间。）在此期间，电流幅度在1 到30A 之间变化很大。放电能量的频率也从几十Mhz到1Ghz不等，但大部分能量集中在低频放电区域。

IEC61000-4-2根据人体放电模型制定了5个测试级别，其中4个测试级别和1个开放级别。一般电子产品的CTA认证要求静电等级为3级。这意味着接触电压为6kv，空气电压为8kv。与此相伴，接触放电用的静电枪的尖端和空气放电用的静电枪的尖端也有所不同，接触放电用的尖端具有尖锐的尖端以便于接触，而空气放电用的尖端具有圆形的尖端。表1 显示了静电放电测试级别。图4是静电枪头的示意图。

表1 静电放电测试等级

图4 静电发生器放电电极

3、静电危害

静电放电主要造成设备损坏，分为永久性设备故障和暂时性设备故障两种。

静电放电能瞬间产生很大的电流，因此其能量会损坏电路，直接破坏设备的正常使用，并导致设备烧毁或永久性故障。

另一方面，由于静电中还含有高频脉冲，这些脉冲产生的磁场通过耦合和辐射对周围磁场产生电磁干扰，通过间隙和电路对设备产生干扰。这可能会导致暂时的设备故障。

4、静电防护

既然我们知道了静电带来的危害，那么我们在设计产品时就需要想办法避免它。

处理静电问题时，主要应遵循两种方法：堵塞和疏通。静电是无法避免的，必须加以处理。

1. 块

封锁，顾名思义，就是严密防守的意思。尽管存在静电，但我们确保静电不会进入设备内部。这是一个堵塞。这个问题主要由结构工程师来处理。改善外壳匹配。

主要有两种方法：

1 尽量减少外壳中的间隙。没有任何间隙，外部静电可能会进入设备内部并造成损坏。

2 增加外壳和内部电路之间的距离。经验表明，大约8kv的静电在5mm的距离内可以完全衰减。

3.软件处理。我们经常会遇到ESD损坏屏幕的情况，但此时我们就必须修改软件来防止屏幕破裂。当我刚开始进入这个行业时，我根本不明白这一点。 ESD明明是硬件问题，为什么不能用软件治愈呢？以花屏问题为例，可以看出这是暂时性故障问题。 ESD 会将噪声引入屏幕的控制引脚，从而导致中断。这样，通过优化软件代码（确定中断端口的触发条件、设置中断信号的持续时间等），可以避免一些不可恢复的故障，也可以降低可恢复故障的概率。减少。

2.稀疏

备用可以让静电找到合适的放电路径，而无需从设备内部放电。

主要考虑以下几种方法。

1 确保有完美的接地平面。完整的接地层不仅可以减少噪声干扰等发射，还可以增强ESD 性能。大的接地层有助于消散静电，同时减少静电场的影响。

2 增加表面露铜面积。这使得来自外部的静电能够通过表面暴露的接地直接引入到板的主接地，从而允许大面积放电。

3 缩短电源层和接地层之间的距离。我们知道，静电只是能量，能量是通过储能元件吸收的。平板电容器的公式为：

其中，为介电常数，d为两平行板之间的距离，S为平行板的面积。

从这个方程我们可以看出，减小两个平行板之间的距离会增加电容器的电容值。

电源层和接地层可以形成平行板电容器，缩短它们的距离可以增加主板的分布电容。如果静电侵入，该分布式电容器会吸收静电能量并提供保护作用。

4 添加ESD保护器件。暴露的外部接口电路需要ESD 器件。 USB端口、电源端口、电池连接器等都是需要保护的区域。必须在这些位置添加ESD 保护装置。您还可以根据需要预留位置并发布。其主要目的是释放ESD 能量。 ESD器件主要有TVS管、稳压管、压敏电阻等。相比之下，ESD静电管性能最好，响应速度快，因此近年来得到了大规模的应用。对于一些电流要求不高的接口，例如ADC/GPIO，可以通过增加串联电阻来增强ESD性能。

ESD问题必须在设计之初就考虑到，以便后期有针对性地解决。即使出于成本考虑不想在设计之初添加ESD器件，也应该预留必要元件的位置以供后期优化。大多数由ESD 引起的问题都是无法修复的，因此对关键设备造成的损坏比处理静电设备要昂贵得多。请记住，在设计之初就可以避免的问题将具有最低的成本。

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