ESD防护与电路设计经验

什么是ESD（静电放电）及ESD保护电路的设计学习资料2008-12-09 08:27:57 阅读592 评论1 字号：大中小订阅来源：电子系统设计静电放电(E SD，electrostatic discharge )是在电子装配中电路板与元件损害的一个熟悉而低估的根源。

它影响每一个制造商，无任其大小。

虽然许多人认为他们是在E SD安全的环境中生产产品，但事实上，E SD有关的损害继续给世界的电子制造工业带来每年数十亿美元的代价。

E SD究竟是什么？静电放电(E SD)定义为，给或者从原先已经有静电(固定的)的电荷(电子不足或过剩)放电(电子流)。

电荷在两种条件下是稳定的：当它“陷入”导电性的但是电气绝缘的物体上，如，有塑料柄的金属的螺丝起子。

当它居留在绝缘表面(如塑料)，不能在上面流动时。

可是，如果带有足够高电荷的电气绝缘的导体(螺丝起子)靠近有相反电势的集成电路(IC)时，电荷“跨接”，引起静电放电(E SD)。

E SD以极高的强度很迅速地发生，通常将产生足够的热量熔化半导体芯片的内部电路，在电子显微镜下外表象向外吹出的小子弹孔，引起即时的和不可逆转的损坏。

更加严重的是，这种危害只有十分之一的情况坏到引起在最后测试的整个元件失效。

其它90%的情况，E SD 损坏只引起部分的降级- 意味着损坏的元件可毫无察觉地通过最后测试，而只在发货到顾客之后出现过早的现场失效。

其结果是最损声誉的，对一个制造商纠正任何制造缺陷最付代价的地方。

可是，控制E SD的主要困难是，它是不可见的，但又能达到损坏电子元件的地步。

产生可以听见“嘀哒”一声的放电需要累积大约2000伏的相当较大的电荷，而3000伏可以感觉小的电击，5000伏可以看见火花。

例如，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)或电气可编程只读内存(E PROM, electricall programmable read-only memory)这些常见元件，可分别被只有250伏和100伏的E SD电势差所破坏，而越来越多的敏感的现代元件，包括奔腾处理器，只要5伏就可毁掉。

ESD防护与电路设计经验随着现代电子设备技术的不断发展，集成电路（IC）的功能越来越强大，体积也越来越小。

然而，这也使得IC在生产、运输、安装和使用过程中更加容易受到静电放电（ESD）的损害。

因此，ESD防护对于确保电路的可靠性和长期稳定性至关重要。

1.接地设计良好的接地设计是有效的ESD防护的关键。

地线应尽可能短，并且具备足够的导电能力以最大限度地降低静电能量。

使用专用的地线层和地线连接技术（例如用于PCB设计的平面接地或虚地技术）有助于提供良好的接地路径和屏蔽。

2.设计适当的电路布局电路布局应尽可能简洁、紧凑，并避免电子电路之间的物理干扰。

使用屏蔽罩或地线平面来隔离敏感电路部分可以降低ESD的影响。

还应将敏感电路放置在主要ESD源附近，以便更早地抑制ESD。

3.静电保护设备静电放电发生时，使用可靠的静电保护设备来吸收和分散ESD能量非常重要。

常见的静电保护设备包括TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管和ESD二极管。

这些器件能够将ESD能量引导到接地线上，从而保护IC免受损害。

4.ESD标准5.电路电源设计电源电路应根据所需的电流和电压范围来设计，以确保正常工作，同时具备足够的能力来处理ESD事件。

电源线路应专门设计以抑制和吸收电源线上的ESD能量，并加入适当的滤波器和保护元件。

6.人员培训和防护工作人员应了解ESD的危害和防护方法，遵循正确的ESD操作规程。

通过静电寿命测试和高低电压气体放电设备来对人员防护进行验证。

总结起来，ESD防护是电路设计中至关重要的一环。

通过优化接地设计，合理布局电路，使用适当的静电保护设备，遵循相关的国际标准，设计合适的电路电源和进行有效的人员培训和防护，可以极大地提高电路的可靠性和稳定性。

为了确保电子设备的质量和性能，设计人员应在设计过程中充分考虑ESD防护措施的重要性，并根据具体的应用需求选择和实施相应的防护措施。

静电放电(ESD)最常用的三种模型及其防护设计
ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握ESD 的相关知识。

为了定量表征ESD 特性，一般将ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。

1.HBM：Human Body Model，人体模型：
该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人
体电容。

等效电路如下
ESD 人体模型等效电路2.MM：Machine Model，机器模型：
机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是200pF，等效电阻为0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取200pF。

由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大
于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。

ESD 机器模型等效电路3.CDM：Charged Device Model，充电器件模型：
半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。

它们在装配、
传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的
塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。

器件本身作为电
容器的一个极板而存贮电荷。

CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地
接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：。

ESD防护设计PCB布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。

在PCB设计中，由于采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极管来抑止因ESD放电产生的直接电荷注入，因此PCB设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰(EMI)电磁场效应。

本文将提供可以优化ESD防护的PCB设计准则。

电路环路电流通过感应进入到电路环路，这些环路是封闭的，并具有变化的磁通量。

电流的幅度与环的面积成正比。

较大的环路包含有较多的磁通量，因而在电路中感应出较强的电流。

因此，必须减少环路面积。

最常见的环路如图1所示，由电源和地线所形成。

在可能的条件下，可以采用具有电源及接地层的多层PCB设计。

多层电路板不仅将电源和接地间的回路面积减到最小，而且也减小了ESD脉冲产生的高频EMI电磁场。

如果不能采用多层电路板，那么用于电源线和接地的线必须连接成如图2所示的网格状。

网格连接可以起到电源和接地层的作用，用过孔连接各层的印制线，在每个方向上过孔连接间隔应该在6厘米内。

另外，在布线时，将电源和接地印制线尽可能靠近也可以降低环路面积，如图3所示。

减少环路面积及感应电流的另一个方法是减小互连器件间的平行通路，见图4。

当必须采用长于30厘米的信号连接线时，可以采用保护线，如图5所示。

一个更好的办法是在信号线附近放置地层。

信号线应该距保护线或接地线层13毫米以内。

如图6所示，将每个敏感元件的长信号线(>30厘米)或电源线与其接地线进行交叉布置。

交叉的连线必须从上到下或从左到右的规则间隔布置。

电路连线长度长的信号线也可成为接收ESD脉冲能量的天线，尽量使用较短信号线可以降低信号线作为接收ESD电磁场天线的效率。

尽量将互连的器件放在相邻位置，以减少互连的印制线长度。

地电荷注入ESD对地线层的直接放电可能损坏敏感电路。

在使用TVS二极管的同时还要使用一个或多个高频旁路电容器，这些电容器放置在易损元件的电源和地之间。

PCB板“ESD保护电路设计”来自人体、环境甚至电子设备内部的静电对于精密的半导体芯片会造成各种损伤,例如穿透元器件内部薄的绝缘层;损毁MOSFET和CMOS元器件的栅极;CMOS器件中的触发器锁死;短路反偏的PN结;短路正向偏置的PN结;熔化有源器件内部的焊接线或铝线。

为了消除静电释放(ESD)对电子设备的干扰和破坏,需要采取多种技术手段进行防范。

在PCB板的设计当中,可以通过分层、恰当的布局布线和安装实现PCB的抗ESD设计。

在设计过程中,通过预测可以将绝大多数设计修改仅限于增减元器件。

通过调整PCB布局布线,能够很好地防范ESD。

以下是一些常见的防范措施。

几种典型的通用ESD保护电路分享个人的ESD保护9大措施最近在做电子产品的ESD测试，从不同的产品的测试结果发现，这个ESD是一项很重要的测试：如果电路板设计的不好，当引入静电后，会引起产品的死机甚至是元器件的损坏。

以前只注意到ESD会损坏元器件，没有想到，对于电子产品也要引起足够的重视。

ESD，也就是我们常说的静电释放(Electro-Static discharge)。

从学习过的知识中可以知道，静电是一种自然现象，通常通过接触、摩擦、电器间感应等方式产生，其特点是长时间积聚、高电压(可以产生几千伏甚至上万伏的静电)、低电量、小电流和作用时间短的特点。

对于电子产品来说，如果ESD设计没有设计好，常常造成电子电器产品运行不稳定，甚至损坏。

在做ESD放电测试时通常采用两种方法：接触放电和空气放电。

接触放电就是直接对待测设备进行放电;空气放电也称为间接放电，是强磁场对邻近电流环路耦合产生。

这两种测试的测试电压一般为2KV-8KV，同地区要求不一样，因此在设计之前，先要弄清楚产品针对的市场。

以上两种情况是针对人体在接触到电子产品时，因人体带电或其他原因引起电子产品不能工作而进行的基本测试。

全球各地的湿度情况不一样，但是同时在一个地区，若空气湿度不一样，产生的静电也不相同。

ESD结构防护设计的主要目标是确保电子系统的功能可靠性，避免ESD（静电放电）对系统产生干扰或损坏。

以下是一些常见的ESD防护设计方法：
1. 隔离和接地：将ESD敏感器件隔离并接地可以有效地防止ESD 对系统的影响。

这可以通过在电路板上的敏感区域设置ESD防护器件，如TVS二极管、齐纳二极管等来实现。

2. 滤波器：在电源和信号线路上设置滤波器可以有效地减少ESD 产生的噪声干扰。

这可以通过使用LC滤波器、RC滤波器或者铁氧体磁珠等来实现。

3. 屏蔽：使用金属屏蔽材料将ESD敏感器件或电路板包裹起来，可以有效地防止ESD电磁场对系统的影响。

这可以通过在PCB上设置金属罩或者使用金属盒等方式来实现。

4. 限流：在ESD防护器件上设置限流电阻可以有效地限制ESD 电流的幅度，从而保护敏感器件或电路。

这可以通过在TVS二极管或齐纳二极管上串联限流电阻来实现。

5. 保护电路：在电路中添加保护电路可以防止ESD对电路的影响。

这可以通过在电路中添加电压钳位器件、过压保护器件等来实现。

6. 人体放电：在人体放电模型（HBM）下，通过设置放电电阻、电容等元件，可以有效地将人体静电放电引入到地线中，从而避免对系统的影响。

以上是一些常见的ESD防护设计方法，但具体的防护方案需要根据具体的系统和应用场景来确定。

复位电路esd防护设计
复位电路是电子设备中非常重要的一部分，它用于在设备出现故障或异常情况时将设备恢复到正常工作状态。

ESD（静电放电）防护设计则是为了防止静电放电对电子设备造成损坏。

在设计复位电路的时候，需要考虑如何保护电路免受ESD的影响。

首先，针对ESD防护，可以采取以下措施：
1. 使用ESD保护器件，选择适当的ESD保护器件，如TVS二极管、ESD二极管等，来限制静电放电对电路的影响。

2. 地线设计，合理设计地线，确保设备的外壳和地线之间有良好的连接，以便将静电放电迅速引导至地。

对于复位电路的设计，建议考虑以下几点：
1. 稳定性，确保复位电路能够稳定可靠地工作，不会因为外界干扰或噪声而误触发。

2. 延迟，在设计复位电路时，需要考虑延迟的问题，确保在需
要复位时能够有足够的延迟时间来完成相应的操作，避免误操作或者频繁复位。

3. 电源管理，复位电路通常与电源管理相关，需要考虑电源的稳定性和可靠性，以确保复位电路能够正常工作。

在实际设计中，可以采用多种技术来实现ESD防护和复位电路设计，比如使用滤波器、保护二极管、电容器等 passives 元件，以及专门的复位集成电路（IC）来实现复位功能。

此外，还需要通过模拟和数字仿真来验证设计的可靠性和稳定性。

总之，复位电路的ESD防护设计需要综合考虑电路稳定性、延迟、电源管理等多个因素，以确保设备在面对静电放电时能够正常工作并且不受损坏。

集成电路的ESD防护技术分析集成电路是现代电子技术的核心之一，它广泛应用于计算机、通讯、嵌入式系统等各个领域。

但是，在电路设计和使用过程中，静电放电（ESD）问题一直是个头痛的难题。

ESD会对集成电路造成不可恢复的损坏或缺陷，严重影响电路的可靠性和寿命。

因此，如何对集成电路进行ESD防护技术实现是一个很重要的问题。

ESD的来源很广泛，主要有三种：(1)人体静电；(2)设备间的静电；(3)环境中的静电。

因此，在集成电路设计中，需要考虑如何避免这些ESD的来源，同时加强防护策略。

现在，有很多的技术手段来解决这个问题，主要包括以下几种：1.背部引线设计：通过机械连接背部引线（SolderBall），将ESD引导至地面，以达到防护的目的。

这种设计简单、容易实现，但是会增加颗粒物，影响封装的可靠性。

2.内置防护电路设计：在集成电路内部，设计一定的电路来吸收和放电ESD，避免对引脚的损害。

这种设计简单、成本低，但是无法完全消除ESD影响。

3.局部工艺优化设计：通过局部的工艺优化措施，如在特定的地方采用金属层的补偿等方法，降低这些地方的ESD破坏风险。

这种设计可以较大程度上降低ESD损伤的风险，但需要根据具体情况进行工艺调整。

4.外置防护电路设计：在集成电路外部设计一定的防护电路，以吸收和放电ESD。

这种设计可以较好地保护集成电路，但是其成本较高，且需要考虑与已有设计的兼容性。

总之，ESD防护技术的应用非常广泛，需要根据具体情况来选择最合适的方案。

通过综合应用上述防护措施，可以有效消除或降低ESD的危害，从而提高集成电路的可靠性和稳定性。