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靜電放電（ESD）-一文詳解

發布日期：2022-04-17 點擊率：59

我們都了解靜電黏附在衣物上，通過接觸金屬物體會像閃電一樣產生電火花。靜電是古希臘人在2000年前發現的，他們應用這種靜電原理作為行騙的工具。現在，靜電有了更多的用途，例如靜電復制、灰塵沉積、凈化空氣、靜電噴涂。

然而，不受控制的靜電對于電子設備也是一種威脅。早在1960年人們就發現厚膜和薄膜固態器件，金屬氧化半導體器件，個別電子器件如電阻、電容、晶振和雙極性集成電路容易被靜電放電（ESD）所損壞。隨著器件變為更小、更快，他們也更容易受到ESD的侵害。

對于EMC來說ESD是一個特殊的問題，可以看到，降低系統對ESD敏感度的方法類似于控制輻射干擾。

人體模型

人體是主要的ESD來源。電荷很容易傳輸到人體的傳導皮膚層。除了50pF的自由空間電容，人體主要的分布電容在腳底與大地之間，典型值為100pF。人體接觸電阻的大小取決于放電的部位。如果手指尖放電，電阻大約10kΩ，手掌放電大約1kΩ，手掌握金屬放電大約500Ω，如果大面積接觸金屬放電（例如金屬椅子）電阻可達50Ω。下圖為人體模型示意圖以及等效電路。

以150pF，500Ω人體模型以20000V放電為例。其峰值電流可以達到40A，上升時間1ns，下降時間100ns，上升時間取決于串聯的電感。最小化電感量是

設計ESD試驗時最重要的問題之一，應保持其值小于0.1uH。國際電工委員會（IEC）指定的人體模型為150pF、150Ω（IEC Standard 801-2，1984）。

當放電電壓低于3500V時，人體是沒有感覺的，而一些電子元件幾百伏的放電電壓就可毀壞，所以有些元件是在沒有察覺的情況下毀壞的。在另一種極限情況下，放電電壓高于25kV時，人本身也會受到侵害。

放電

電荷可以通過瀉放或電弧進行放電。最好避免電弧，采用瀉放的方式放電。由于空氣有一定的濕度，電荷可以通過空氣釋放。濕度越大電荷瀉放越快。物體所帶電荷也可通過離子發生器使空氣帶反極性電荷中和掉，反極性電荷越多，中和即物體放電越快。

電荷瀉放可以使用通過導體接地的方式。所連接的地可以是大地（絕對的零電位），也可以是虛擬的地（很大的阻抗，典型為1MΩ，限制電流流通）。因為人體是導體，可以帶接大地的靜電手鐲放電，然而因為衣物不是導體，所以人體接地不會釋放這部分電荷，這部分電荷要通過離子發生器或加大空氣濕度釋放。出于安全考慮，人體應避免直接連接到大地（美國電網地線和中線連接在一起），人體與大地的最小阻抗應為250kΩ（靜電手鐲一般通過1MΩ電阻接地），對地阻抗越大，放電時間越長。

設備的ESD防護

能量釋放時可能通過以下三種方式耦合到電路中：

1、直接傳導

2、容性耦合

3、感性耦合

直接傳導通常會損壞電路。容性和感性耦合為當放電發生在金屬物體或電纜線附近時，并且經常耦合到敏感電路。

電路或系統可通過以下方式防護ESD：

1、減少電荷的靜態積累

2、通過絕緣阻止放電

3、提供電荷釋放路徑，旁路要流入電路的電流

4、屏蔽電路，抑制放電產生的電場

5、保護電路，抑制放電產生的磁場

大多數文獻在討論ESD防護時采用阻止電荷積累或釋放的方式（第1、2條）。盡管這些方法防護了生產、操作和運輸過程中的ESD侵害，但忽略了產品的使用者。

設計ESD防護的第一步就是阻止放電電流直接流入敏感電路。這可以通過絕緣電路或為放電電流提供其他路徑實現。如果使用絕緣的方法，絕緣層必須閉合，因為在不連續的地方會通過氣隙打火。為了旁路放電電流，所有裸露在外的導體必須接地。因為放電電流通過導體流動，所以露出的導體數目、位置以及接地情況都是十分重要的。

為了靜電防護接地的基本原則為在放電電流可能流通的地方多點低阻抗接地，放電電流流通路徑上最好不要只是單點接地。一般電路如果帶有接地的金屬外殼，則可轉移放電電流流入大地。為了更加有效，金屬外殼最好是封閉的，否則可能會有一部分電流流入內部電路，如下圖所示。

對于高頻電路，必須保證各點接地良好。對于不接地或是接地不當，ESD電流的流通路徑就很復雜并且難以預測了，可能通過系統寄生電容或是系統對于周圍環境的分布電容流通。

從上圖可以看出，閉合金屬屏蔽層發生ESD時，盡管內部電路基準電壓會升高，但是在電路內部沒有產生電勢差，不會損壞電路。但是如果屏蔽層不封閉，則放電電流流入電路內部，就可能產生電勢差損壞電路。如果內部電路連接到大地，并且系統具有閉合的屏蔽層，內部電路與屏蔽層之間沒有直接連接，那么當ESD發生時，很可能使屏蔽層對內部電路有很高的電勢差，從而發生二次打火。二次打火危害更大，如果屏蔽層沒有接地，那么內部電路就會感應到與打火的源電壓相同的電勢。二次打火可通過增加內部電路的金屬器件與屏蔽層的距離避

免，這個距離必須能夠承受對于接地的屏蔽層1500伏的電壓，對于不接地的屏蔽層25000伏的電壓。工程上認為空氣擊穿電壓為30kV/cm（75kV/in.）；因此內部電路的金屬器件與屏蔽層的最小距離，屏蔽層接地時為0.05cm，屏蔽層不接地時為0.84cm。即使不發生二次打火，金屬屏蔽層與內部電路具有強電場也是一個問題。所以經常在屏蔽層與內部電路之間設置第二層屏蔽，這層屏蔽應連接到內部電路的地上。

如果內部電路與屏蔽層相連，那么只能有一個連接點以阻止放電電流流過內部電路。下面右圖即為此種連接，發生ESD時，電路與屏蔽層電壓同時升高，內部不產生電勢差。發生ESD時，由于線路電感，系統會產生大約幾千伏的對地電壓，線路內部不產生電勢差，那么這幾千伏的電壓會產生什么影響呢？他會以共模電壓的形式干擾輸出線路，因此問題從屏蔽變為輸出端口干擾。如果這個共模電壓干擾到功率線一般不會造成損害，但如果干擾到連接邏輯門電路的信號線，就將毀壞門電路。也可以反過來考慮，如果ESD發生在輸出線一端，也可能損害這種屏蔽的電路，因此應用這種與大地單點連接的電路時，要對輸出線路采取相應的措施以防護ESD侵害。

接口電纜可使用以下方法防護ESD：

1、使用屏蔽線

2、共模濾波電感（注意應使繞線間寄生電容盡量小）

3、過壓鉗位設備

4、電纜旁路濾波器

當電路與屏蔽層單點連接時，這個連接點應盡量靠近輸入電纜線（如下圖）。也可使用電容或是穩壓管來旁路ESD電流。要注意的是，這個電容或穩壓管反映要足夠快，通常應小于1ns。這幾種方式可以防止ESD發生時損壞器件，但是防護不了軟件錯誤，因為輸入端仍然有噪訊電壓。為了防止軟件受干擾，可使用輸入濾波器、平衡電路等方式。