众所(suǒ)周知，工業産品所(suǒ)應(yìng)用的(de)電(diàn)磁环(huán)境之(zhī)惡劣。要(yào)想(xiǎng)産品在(zài)如此(cǐ)惡劣的(de)電(diàn)磁环(huán)境下(xià)正(zhèng)常工作(zuò)，需要(yào)具备強(qiáng)大的(de)抗干(gàn)擾能(néng)力方(fāng)能(néng)勝任。其(qí)中(zhōng)以(yǐ)静(jìng)電(diàn)干(gàn)擾最(zuì)为(wèi)常見(jiàn)且(qiě)棘手(shǒu)。本(běn)文(wén)将手(shǒu)把(bǎ)手(shǒu)教你如何将工業産品做到(dào)可(kě)靠的(de)防静(jìng)電(diàn)設计。
1.了(le)解(jiě)静(jìng)電(diàn)
你想(xiǎng)要(yào)打(dǎ)倒对(duì)手(shǒu)，必須先(xiān)深入(rù)地(dì)了(le)解(jiě)他(tā)，才能(néng)有(yǒu)的(de)放(fàng)矢。什麼(me)是静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)？相信(xìn)大家(jiā)都有(yǒu)着深刻(kè)且(qiě)痛的(de)領悟：冬天(tiān)懶懶地(dì)從椅(yǐ)子上(shàng)起(qǐ)身給(gěi)開(kāi)門(mén)，在(zài)你的(de)手(shǒu)与金(jīn)屬門(mén)把(bǎ)手(shǒu)即将親密接觸那(nà)一(yī)刻(kè)，一(yī)股精神倍爽的(de)刺痛感(gǎn)自(zì)手(shǒu)指神經(jīng)未梢迅速傳至(zhì)慵懶的(de)大腦皮(pí)层(céng)，让你情(qíng)不(bù)自(zì)禁的(de)“啊”出(chū)来(lái)。让你産生(shēng)刺痛感(gǎn)的(de)，便是静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)（ESD）在(zài)搞的(de)鬼！
生(shēng)活中(zhōng)和(hé)電(diàn)子産品所(suǒ)承受的(de)静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)，主(zhǔ)要(yào)来(lái)自(zì)于(yú)摩擦起(qǐ)電(diàn)。任何两(liǎng)个(gè)物(wù)質(zhì)摩擦都会(huì)産生(shēng)静(jìng)電(diàn)，只(zhī)是起(qǐ)電(diàn)量(liàng)大小不(bù)同(tóng)而(ér)已，得電(diàn)子的(de)带(dài)負電(diàn)，失電(diàn)子的(de)带(dài)正(zhèng)電(diàn)。这(zhè)个(gè)是小学三(sān)年(nián)級都会(huì)学習的(de)知識點(diǎn)。但也(yě)就(jiù)是这(zhè)在(zài)小学就(jiù)学过的(de)小小静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)，卻成(chéng)为(wèi)不(bù)少(shǎo)電(diàn)子工程师(shī)心(xīn)中(zhōng)揮之(zhī)不(bù)去(qù)的(de)夢魇。
2.静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)为(wèi)何会(huì)影響電(diàn)子産品正(zhèng)常工作(zuò)
科学家(jiā)们(men)根(gēn)據(jù)物(wù)質(zhì)相互摩擦後(hòu)得失電(diàn)子的(de)能(néng)力，排序整理(lǐ)出(chū)了(le)一(yī)份摩擦生(shēng)産序列表。这(zhè)里(lǐ)由(yóu)正(zhèng)到(dào)負列舉部(bù)分(fēn)材料序列：兔皮(pí)、玻璃、丝(sī)綢、鋁(lǚ)片(piàn)、琥珀、滌綸、矽……。这(zhè)些(xiē)生(shēng)活中(zhōng)常見(jiàn)的(de)材料包(bāo)含了(le)導体、半導体和(hé)絕緣体。两(liǎng)種(zhǒng)絕緣体物(wù)質(zhì)摩擦生(shēng)電(diàn)後(hòu)，因(yīn)絕緣体內(nèi)電(diàn)子不(bù)能(néng)自(zì)由(yóu)移動(dòng)，得到(dào)的(de)電(diàn)子将集聚在(zài)带(dài)負電(diàn)物(wù)質(zhì)表面(miàn)，形成(chéng)強(qiáng)静(jìng)電(diàn)场(chǎng)，其(qí)持(chí)續时(shí)間(jiān)可(kě)长(cháng)达(dá)數小时(shí)或(huò)幾(jǐ)天(tiān)。当外(wài)界其(qí)它(tā)物(wù)質(zhì)靠近带(dài)電(diàn)物(wù)質(zhì)时(shí)，則可(kě)以(yǐ)形成(chéng)強(qiáng)烈的(de)ESD現(xiàn)象(xiàng)。
ESD有(yǒu)两(liǎng)種(zhǒng)典型的(de)模型：人(rén)体模型HBM和(hé)機(jī)械模型MM。人(rén)体模型用于(yú)表示带(dài)電(diàn)人(rén)体放(fàng)電(diàn)时(shí)与器件或(huò)物(wù)体的(de)相互作(zuò)用。機(jī)械模型表示带(dài)電(diàn)導体源放(fàng)電(diàn)与器件或(huò)物(wù)体的(de)相互作(zuò)用。以(yǐ)下(xià)将最(zuì)为(wèi)常見(jiàn)及(jí)基本(běn)的(de)人(rén)体模型来(lái)说(shuō)明(míng)ESD是如何影響電(diàn)子産品正(zhèng)常工作(zuò)。
ESD对(duì)電(diàn)子産品的(de)影響主(zhǔ)要(yào)体現(xiàn)在(zài)两(liǎng)方(fāng)面(miàn)：过電(diàn)應(yìng)力EOS和(hé)電(diàn)磁干(gàn)擾EMI。在(zài)日常生(shēng)活中(zhōng)因(yīn)摩擦可(kě)使人(rén)体带(dài)上(shàng)幾(jǐ)千(qiān)甚至(zhì)上(shàng)万(wàn)伏的(de)静(jìng)電(diàn)，國(guó)家(jiā)标(biāo)準GB/T 17626.2《電(diàn)磁兼容 試验(yàn)和(hé)测量(liàng)技術(shù)静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)抗擾度(dù)試验(yàn)》規定(dìng)的(de)接觸放(fàng)電(diàn)試验(yàn)電(diàn)壓为(wèi)±8kV，空气(qì)放(fàng)電(diàn)試验(yàn)電(diàn)壓为(wèi)±15kV。ESD的(de)高(gāo)電(diàn)壓大電(diàn)流会(huì)導致(zhì)半導体器件出(chū)現(xiàn)闩鎖效應(yìng)，甚至(zhì)直(zhí)接将多(duō)數半導体器件損壞。另(lìng)外(wài)其(qí)放(fàng)電(diàn)波(bō)形如下(xià)图(tú)示，ESD放(fàng)電(diàn)脈沖上(shàng)升(shēng)沿的(de)时(shí)間(jiān)非(fēi)常短(duǎn)，只(zhī)有(yǒu)0.7~1ns。这(zhè)将形成(chéng)強(qiáng)烈的(de)電(diàn)磁輻射干(gàn)擾，带(dài)宽(kuān)可(kě)达(dá)400MHz以(yǐ)上(shàng)，通(tòng)过傳導和(hé)空間(jiān)輻射的(de)方(fāng)式对(duì)系(xì)統中(zhōng)的(de)敏感(gǎn)信(xìn)号(hào)造成(chéng)干(gàn)擾。
3.工業産品防静(jìng)電(diàn)設计
老(lǎo)生(shēng)常談，産品設计之(zhī)前必須了(le)解(jiě)設计需求：工業産品在(zài)無産品标(biāo)準要(yào)求的(de)情(qíng)況下(xià)，需要(yào)滿足行業标(biāo)準GB/T 17799.2-2003《電(diàn)磁兼容 通(tòng)用标(biāo)準 工業环(huán)境中(zhōng)的(de)抗擾度(dù)試验(yàn)》，静(jìng)電(diàn)抗擾度(dù)試验(yàn)接觸放(fàng)電(diàn)±8kV，空气(qì)放(fàng)電(diàn)±15kV。
3.1.原理(lǐ)图(tú)設计
首先(xiān)是芯片(piàn)及(jí)核心(xīn)闆方(fāng)案(àn)選型，有(yǒu)一(yī)颗(kē)強(qiáng)大的(de)心(xīn)髒才能(néng)支撐強(qiáng)健四(sì)肢去(qù)完成(chéng)高(gāo)難度(dù)的(de)任務(wù)。
其(qí)次(cì)接口電(diàn)路(lù)增加ESD保護設计，滿足先(xiān)保護後(hòu)濾波(bō)原則。根(gēn)據(jù)不(bù)同(tóng)接口電(diàn)路(lù)的(de)信(xìn)号(hào)特(tè)性(xìng)，選擇不(bù)同(tóng)ESD保護器件。比如高(gāo)速信(xìn)号(hào)接口，需選擇寄生(shēng)電(diàn)容小的(de)器件，否則会(huì)産生(shēng)信(xìn)号(hào)失真(zhēn)，導致(zhì)通(tòng)信(xìn)失敗。
再者(zhě)各(gè)電(diàn)源電(diàn)路(lù)必須增加大小規格的(de)去(qù)耦電(diàn)容，進(jìn)行宽(kuān)頻带(dài)的(de)濾波(bō)設计。比如常見(jiàn)的(de)：10uF+1nF组合。
最(zuì)後(hòu)針(zhēn)对(duì)一(yī)些(xiē)特(tè)殊的(de)敏感(gǎn)信(xìn)号(hào)線(xiàn)增加ESD保護和(hé)濾波(bō)設计，比如複位(wèi)、AD采樣(yàng)、时(shí)鐘(zhōng)等信(xìn)号(hào)線(xiàn)。
3.2.PCB設计
静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)主(zhǔ)要(yào)是以(yǐ)傳導和(hé)空間(jiān)輻射的(de)方(fāng)式在(zài)闆級進(jìn)行干(gàn)擾，因(yīn)此(cǐ)PCB設计的(de)核心(xīn)思(sī)想(xiǎng)是信(xìn)号(hào)完整性(xìng)和(hé)減小信(xìn)号(hào)环(huán)路(lù)面(miàn)積。故PCB的(de)防静(jìng)電(diàn)設计需要(yào)滿足的(de)幾(jǐ)个(gè)重(zhòng)要(yào)原則：
電(diàn)源、地(dì)平面(miàn)盡量(liàng)完整；
信(xìn)号(hào)走(zǒu)線(xiàn)盡量(liàng)等宽(kuān)、等距、等长(cháng)；
过孔數量(liàng)盡量(liàng)少(shǎo)；
不(bù)跨分(fēn)隔區(qū)走(zǒu)線(xiàn)；
盡量(liàng)單點(diǎn)接地(dì)走(zǒu)線(xiàn)；
信(xìn)号(hào)环(huán)路(lù)面(miàn)積盡量(liàng)小；
接口和(hé)芯片(piàn)濾波(bō)和(hé)保護器件盡量(liàng)靠近接口和(hé)芯片(piàn)放(fàng)置；
3.3.結構設计
結構上(shàng)防静(jìng)電(diàn)有(yǒu)屏蔽与接地(dì)两(liǎng)大方(fāng)法。
屏蔽可(kě)從整機(jī)結構上(shàng)設计，但这(zhè)樣(yàng)設计成(chéng)本(běn)較高(gāo)，産品体積較大，實(shí)現(xiàn)起(qǐ)来(lái)比較困難。除非(fēi)是原本(běn)就(jiù)是金(jīn)屬結構的(de)産品，利用原有(yǒu)金(jīn)屬結構来(lái)做屏蔽效果(guǒ)。若是絕緣材料外(wài)殼(ké)産品，則需要(yào)在(zài)外(wài)殼(ké)內(nèi)壁(bì)做噴塗導電(diàn)漆。噴塗導電(diàn)漆雖(suī)然是一(yī)種(zhǒng)有(yǒu)效的(de)屏蔽措施，但其(qí)生(shēng)産工艺比較複雜，一(yī)致(zhì)性(xìng)控制難度(dù)大。整機(jī)設备中(zhōng)往往会(huì)存在(zài)不(bù)少(shǎo)死角的(de)區(qū)域，让噴塗導電(diàn)漆工序難上(shàng)加難。另(lìng)外(wài)可(kě)針(zhēn)对(duì)單獨敏感(gǎn)電(diàn)路(lù)模块(kuài)增加屏蔽殼(ké)，最(zuì)为(wèi)典型的(de)便是手(shǒu)機(jī)屏蔽結構設计。
結構的(de)接地(dì)設计需要(yào)考虑如何将静(jìng)電(diàn)能(néng)量(liàng)以(yǐ)最(zuì)快(kuài)的(de)速度(dù)洩放(fàng)掉。这(zhè)就(jiù)必須滿足接地(dì)良好(hǎo)，接地(dì)阻抗越小越好(hǎo)。特(tè)别是需要(yào)進(jìn)行静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)試验(yàn)的(de)區(qū)域，接地(dì)連(lián)續性(xìng)要(yào)得到(dào)保證。在(zài)此(cǐ)要(yào)特(tè)别注意(yì)的(de)一(yī)點(diǎn)是，作(zuò)为(wèi)静(jìng)電(diàn)洩放(fàng)的(de)接地(dì)線(xiàn)不(bù)要(yào)從敏感(gǎn)信(xìn)号(hào)或(huò)模块(kuài)上(shàng)方(fāng)經(jīng)过，否則静(jìng)電(diàn)洩放(fàng)瞬間(jiān)大電(diàn)流所(suǒ)産生(shēng)的(de)強(qiáng)電(diàn)磁场(chǎng)会(huì)对(duì)这(zhè)些(xiē)電(diàn)路(lù)造成(chéng)干(gàn)擾，引起(qǐ)不(bù)必要(yào)的(de)麻(má)煩。
