电子产品中的ESD防护

李伟权

摘 要：对于电子产品的可靠性、安全性而言，静电会带来很大的危害。因此，电子产品的设计必须在PCB的布局、布线以及元器件的选择上做到对ESD的可靠防护。

关键词：静电放电（ESD）；可靠性；敏感元件；PCB设计规则

一、引言

电子技术的快速发展推动了电子产品向小型化、智能化方向发展，同时也为电子产品的使用带来了可靠性和安全性的问题。而静电放电（ESD）会严重影响电子产品的可靠性和安全性。据统计，美国每年因ESD问题给十多个行业带来超过200亿美元的损失，其中给电子行业带来的损失就有100多亿美元。因此，对于身处在充满了各种复杂的电磁环境里的电子产品来说，研究ESD防护的问题显得格外重要。

二、静电

静电是以能量的形式存在于物体表面，当条件满足时就会产生放电现象。ESD的能量传播一般有传导和耦合两种形式，其中耦合又分为电容耦合和电感耦合。例如：通过人手的触摸，就有可能将人体静电传导到电子电路或电子元件上。在干燥的环境中，人体ESD电压可达10KV以上。而半导体器件的耐静电放电电压值一般从几百伏到几千伏，极易受到ESD的损伤。耦合则通过电磁波的形式穿透电子产品外壳耦合到敏感电路中，从而影响或导致电路不能正常工作。静电对电子产品造成的损伤包括硬损坏、软损坏和数据错误等。其中，硬损伤会对电子产品造成永久性的损坏。软损坏则会使电子产品的可靠性下降。数据错误一般会对电子产品造成较小的临时性影响。

三、ESD的防护

1.电子元器件的选择

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在选用元器件时就必须考虑元器件的ESD防护能力，不同的电子元器件的ESD防护能力是不一样的。电子元器件的静电敏感度一般分为3级，1级静电放电敏感元器件的电压≤2KV，2级静电放电敏感器件电压为2～4KV，3级静电放电敏感元件器的电压为4～16KV。一般对ESD敏感的器件有MOS管、集成电路（IC）、光电器件、运算放大器、电荷耦合器件和微波器件等。在设计电子产品时，需要考虑元器件的ESD防护能力，特别是接口器件，对于ESD防护能力差的元件应采取保护措施。减少敏感器件的应用能明显降低ESD对电子产品的损害。静电对于半导体器件损伤模式如表1所示。

2.PCB的ESD防护

PCB是电子产品的基础。从电子产品的PCB设计环节上就做好ESD的防护设计，可以有效提高电子产品的ESD防护。这样，相比在电子产品进入测试、生产环节时再来着手考虑ESD的防护而言更有效果。

在PCB的ESD防护设计中，电源平面、接地平面和信号线的环路布局和器件布局以及走线长度、宽度的安排是应该主要考虑的因素。如果在PCB层上设置大面积的接地平面和电源平面，信号线必须靠近接地或电源平面，目的是保证信号环路面积最小。而多层PCB能够更好地控制信号环路面积，相对于双层PCB而言，多层PCB中能够很好控制地平面和电源平面以及排列紧密的信号线与地线之间的间距，其共模阻抗和感性耦合大为降低，一般只有双层PCB的1/10到1/100，可以有效降低感应ESD电流产生的高频电磁信号。

另外，在电源与接地之间设置高频旁路电容可以有效降低电源与接地平面的环路面积，对低频的ESD有很好的抑制效果。在PCB器件布局上应该严格分开电路的模拟和数字部分以及低频和高频部分，要重点保护核心电路部分，可以采用系统地线或接地地平面将核心电路与其它电路部分间隔开来。

同时，电源部分可采用滤波电路、DC-DC隔离或光电隔离，接地部分通常采用TVS器件及配套的旁路电容形成电压钳位的效果，保持电源与接地之間的电压差。有条件的还可在电路板容易放电的位置边缘设置一个8～10mm的隔离区，这个隔离区也可以抵消8～10KV的静电电压。在器件布局时应考虑将容易受到ESD干扰的器件布置在远离静电干扰的区域或是尽量采用静电敏感度低的器件。

通常情况下，对于易受ESD干扰的器件，主要从辐射和传导两个途径入手进行防护。针对辐射，ESD可采用加屏蔽罩的方法；针对传导，ESD可在需要保护的器件入口处增加ESD器件，从而吸收传导进来的ESD。

对PCB走线的合理布置也可以有效抵御ESD干扰。比如：电源走线、接地走线、大功率走线与其它小信号线之间的距离需保持在0.3mm左右，对于容易受到ESD干扰的电路走线应远离印刷电路板的边缘，同时与其它电路走线的距离一般大于0.3mm，同时PCB的板边缘最好用接地走线（上接第52页）包围，也能起到很好的隔离作用。

在电子产品防护ESD的措施中，还可以从机壳上增加些简单实用的方法来实现ESD防护。比如：使用完全屏蔽的机壳，或是在电子产品机壳上增加屏蔽挡板，也可以将PCB板上的信号地与机壳单点连接，但应特别注意连接点的选择。另外，在机壳与电路板之间增加共模滤波电容和铁氧体磁珠也是个不错的选择。

四、结语

ESD的防护是电子产品设计过程中的一个重要环节，对于本文所阐述的一些基本防护方法还应结合电子产品实际的要求来综合考虑，采用合理、简捷的方法实现抗ESD的目的。

参考文献：

[1]翟伟锋.关于电子设备静电放电（ESD）防护的设计原则[J].电源世界，2008，（01）.

[2]张利军.ESD对电子产品的危害及其防护研究[J].机械管理开发，2011，（04）.

[3]胡烨，姚鹏翼，陈明.Protel99SE原理图与PCB设计教程[M].北京：机械工业出版社，2005.