电力终端中ESD防护技术的研究

杜 君，赵东艳，梁 华，胡启龙

(1.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192; 2.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

电力终端中ESD防护技术的研究

杜 君1，2，赵东艳1，2，梁 华1，2，胡启龙1，2

(1.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192; 2.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

为了满足市场的需求，电力终端的功能越来越强大，而接口也越来越复杂多样，这些接口极易遭受ESD的干扰，导致电力终端失效甚至损坏。介绍了ESD的产生和危害，以及常用ESD防护器件的特点，并针对电力终端中存在的ESD问题，依据各接口的特点，从ESD防护器件的选型、ESD防护器件放置位置和PCB的布局布线角度出发，提出了ESD的解决方案，使电力终端更稳定，更可靠。

ESD；电力终端；TVS；PCB设计

Abstract: In order to meet the needs of the market, the power terminal is becoming more and more powerful, and the interface becomes more and more complex and diverse. These interfaces are vulnerable to the interference of ESD, which leads to the failure of power terminals and even damage. This paper introduces the origin and harm of ESD, as well as the characteristics of the commonly used ESD protection devices. And aiming at the ESD problems of power in the terminal, according to the characteristics of the interfaces, from the ways of selection of ESD protective device, the place position of ESD protective device and PCB layout, this paper proposes the solution to slove the ESD problem to ensure that the power terminals are stable and reliable.

Key words:electro static discharge; power terminal; transient volttage suppressor; printed circuit board design

0 引言

静电放电(Electro Static Discharge,ESD)，已成为导致现代电子设备运转故障、信号丢失、误码的主要原因之一。人们越来越重视ESD的防护，以保障电子设备不受ESD的干扰和破坏。同时ESD检测也作为电磁兼容性测试的重要指标写入国家标准和国际标准。本文就ESD的产生原因、危害进行了阐述，重点对电力终端的ESD防护及设计进行了研究。

1 ESD的产生和危害

ESD是一种自然现象，其产生途径有两种：摩擦带电和感应带电[1]。

(1)摩擦带电。当两种不同介电系数的材料相互摩擦时，就会产生静电电荷，其中一种材料上的静电电荷累计到一定程度，在与另一物体接触时，就会通过这个物体到大地的阻抗进行放电。

(2)感应带电。感应带电就是带电荷物体的电场在其相邻的物体上造成的电荷分离，靠近带电物体会出现与该电荷极性相反的感应电荷。只要物体带有电荷，就会在其周边产生静电场，使周围的物体感应带电。当带电电压超过它们之间介质的击穿电压时，就会产生静电放电。

静电放电过程中，将产生潜在的破坏电压、电流和磁场。ESD对电路的干扰，一是静电放电电流直接通过电路造成损害；二是产生的电磁场通过电容耦合、电感耦合或空间辐射耦合等对电路造成干扰。

ESD的破坏机制主要有两种：一是由ESD电流产生的热量导致的元器件的热失效；二是由ESD高的电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在同一设备中同时发生，例如感应电压导致绝缘击穿，同时激发大的电流，而激发的大电流又进一步导致热失效。ESD的破坏可能会对电子设备造成暂时失效及永久失效。

2 电力终端电路简介

随着科技的发展，市场对电力终端功能需求也越来越多，这也造成电力终端存在各种各样的对外接口，而ESD恰恰是通过这些接口影响整个终端的正常工作，造成重启、死机、损坏甚至其他安全问题。电力终端的原理框图如图1所示。

图1 电力终端原理图框图

3 电力终端的ESD解决与防护

解决静电问题有两种方法：疏和堵[2]。如果壳体做得足够密封，空间距离足够大，静电的能量强度将大大减弱甚至避免，但是由于电力终端的壳体基本上是固定的，而且空间有限，这就要求只能采用疏的方法，将电荷尽可能地释放到PCB的地中来解决。

3.1常用ESD防护器件及特性

ESD防护器件的作用是转移来自敏感元件的ESD应力，使电流流过保护元件而非敏感元件，同时维持敏感元件上的低电压。ESD防护器件还应具有低泄漏和低电容特性，不会对高速信号造成损害。目前常用的ESD防护器件有：瞬态电压抑制器(TVS)、压敏电阻、聚合物、磁珠等。下面将对各种器件的防护原理和特性做一简单介绍。

(1)压敏电阻采用的是物理吸收原理，因此每经过ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道。压敏电阻具有响应速度慢(ns级)，通流容量大的特点。

(2)瞬态电压抑制器(TVS)利用半导体的钳位原理，在经受瞬时高压时，会立即将能量释放出去。TVS管具有反应速度快(ps级)、体积小、钳位电压低、可靠性高等特点。

(3)聚合物为消弧器件，并且是双向保护器件。聚合物的电容低，适合高速应用。但聚合物的高通电压高，导通阻抗性能较差，遭受多次应力时易于性能下降。

(4)磁珠具有很高的电阻率和磁导率，它等效电阻和电感的串联，但电阻值和电感值都随频率变化。磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，对吸收静电脉冲干扰有一定作用。

3.2电力终端电路设计

硬件工程师在进行电路设计时必须依据电路的防护等级、承受的功率、电路的工作速率、电路的工作电压、防护路数来选择合适ESD防护器件对电路进行防护[3]。针对电力终端中常用的接口，下面将从原理上介绍如何防护。

3.2.1电源及充电接口电路

电源及充电接口在使用过程中由于经常插拔，极易造成静电干扰，而使整个电力终端损坏。

由于电源地是整个系统的主干地，它的ESD放电电流比较大，要求以承受功率为主， 所以一般选择大功率的TVS，它对极间电容大小无严格要求。PSD03、PSD05、PSD08、PSD12、PSD15、PSD18、PSD24、PSD36的峰值脉冲功率为500 W，关断电压分别是3.3 V、5 V、8 V、12 V、15 V、18 V、24 V、36 V，用户可根据实际的电压进行选择。

3.2.2 I/O接口及键盘接口电路

由于按键在日常的使用中频繁使用，在与用户的接触中极易产生接触放电。而控制模块的触点基本裸露在电力终端的壳体外部，极易发生接触放电和空气放电。按键和控制都属于一般的低速I/O，采用一般的TVS管即可。

RSB6.8B是一路双向TVS。该器件满足IEC61000-4-2标准，能够承受空气放电15 kV、接触放电8 kV的要求。其具体工作特性如下：峰值脉冲功率10 W，关断电压4.7 V，击穿电压5.7 V，极间电容30 pF。

3.2.3 LCD接口电路

电力终端的LCD多是通过柔性电路或FPC排线与MCU相连的，同时由于TFT模块的引入，数字信号要在更高的频率上工作，这些连接线会像天线一样产生EMI干扰，并极易遭受ESD的干扰。

用于LCD驱动接口的TVS分为4路、6路、8路，具体型号是：EM4D-100L、EM6D-100L和EM8D-100L。它们满足IEC61000-4-2的标准，能够承受空气放电15 kV、接触放电8 kV的要求。EMI是由RC组成的π型低通滤波器，其截至频率为150 MHz。这些器件对于滤除电磁干扰和ESD泄放有一定作用，保证了LCD的并行数据的可靠传输。

3.2.4 RS485接口电路

RS485总线标准是电力系统中使用最广泛的物理层总线设计标准之一。RS485的数据信号采用差分传输方式，允许多个发送器连接到同一总线上。在实际使用中，雷击、电源波动、静电放电会产生较大瞬变电压，造成接口芯片损坏。

PSM712是一款适合RS485总线的ESD防护器件。该器件满足IEC61000-4-2的标准，能够承受空气放电15 kV、接触放电8 kV的要求。其具体工作特性如下：峰值脉冲功率600 W，耐压-7 V～+12 V，极间电容75 pF。其原理图如图2所示。

图2 RS485原理图

3.2.5 RS232接口电路

图3 USB原理图

RS232口在电力终端中作为调试接口、通信口和监控口，传输距离不超过15 m，传输速率最高可达115 200 b/s。调试用接口使用比较频繁，经常带电插拔，极易遭受ESD的干扰，造成接口芯片损坏。

ESD24VS2U是一款适合RS232接口的ESD防护芯片，能够提供单向两路数据线或者双向一路数据线防护。该器件满足IEC61000-4-2的标准，能够承受空气放电30 kV、接触30 kV的要求。其具体工作特性如下：峰值脉冲功率230 W，关断电压26 V，极间电容24 pF。

3.2.6 USB2.0接口电路

USB接口是热插拔系统，在用户插拔USB外设时极易产生ESD干扰，造成电力终端的损坏。USB2.0接口具有高达480 Mb/s的传输速率，这就要求ESD防护器件应具有极低电容、快速动作响应、低泄漏电流、小封装的重要特性。

PLR0502是一款适合USB2.0接口的ESD防护器件，单桥式的设计，能够有效地保护两路数据线及电源。该器件满足IEC61000-4-2的标准，能够承受空气放电15 kV、接触放电8 kV的要求。其具体工作特性如下：峰值脉冲功率200 W，关断电压5 V，击穿电压6 V，漏电流5 μA，极间电容6.0 pF。其原理图如图3所示。

3.2.7以太网接口

以太网端口是热插拔系统，极易受到由用户或空气放电造成的ESD影响。静电可以损害以太网集成电路及周边的IC，进而造成电力终端设备的损坏。以太网的通信速率通常为10 Mb/s/100 Mb/s，甚至可以达到1 000 Mb/s，其接口由两组差分信号组成，这就要求ESD防护器件应具有极低电容、快速动作响应、低泄漏电流、小封装的重要特性。

SRV05-4是一款适合以太网接口的ESD防护器件，双桥式设计及雪崩二极管可以保护4条数据线和电源。该器件满足IEC61000-4-2的标准，能够承受空气放电15 kV、接触放电8 kV的要求。其具体工作特性如下：峰值脉冲功率500W，关断电压5 V，击穿电压6 V，漏电流5 μA，极间电容3.5 pF。

3.2.8 SD卡接口电路

SD卡接口电路是高速数字电路，其传输速率最大可达到48 Mb/s，SD卡通过九针的接口界面与专门的驱动器连接，极易受到由用户接触和空气的ESD干扰的影响，破坏数据通信的完整性，甚至损坏驱动IC。因此必须在接口界面处施加ESD防护，保证不受ESD干扰。

SRV05-4非常适合SD卡接口ESD防护。其原理图如图4所示。

3.3电力终端的PCB设计

ESD的抑制并不是简单地在各端口处增加TVS,给ESD提供一个所谓理想的泄放通路就能解决的，还涉及TVS的放置位置选择、PCB的布局和布线等问题[4]。

3.3.1 TVS放置位置的选择

由于ESD是个高速瞬间浪涌，会在传输线路上造成寄生电感因素，这就要求将TVS器件尽可能地放置在各端口的入口处，使TVS器件尽量接近噪声源，确保浪涌电压可以在脉冲耦合到邻近PCB导线之前被钳位，避免这个寄生电感因素。同时还应尽可能地减小TVS器件和被保护的数据线活信号线之间距离，用较短的TVS导线连接，将ESD的浪涌导到地线层，保证数据线或信号线系统的干净传输。

3.3.2 PCB板的布局和布线

ESD与PCB的设计有着密切的联系，建立良好的接地体系是保证电路稳定和ESD抑制可能性的条件，而合理的PCB布局布线将减少ESD干扰的可能性[5]，下面将简单介绍PCB设计中的一些规则和常识。

图4 SD卡原理图

(1)采用多层板的PCB设计，保证信号有完整的电平面作为参考平面回流。

(2)PCB的布线与板边之间保持0.3 mm以上的间距。

(3)PCB的板边最好用地线包围。

(4)信号线与GND之间的间距保持在0.2 mm以上，关键信号线如Reset、clock等信号保持在0.3 mm以上。

(5)保持各地层之间具有良好的连通性，尽可能地在空闲处多打过孔。

(6)铺铜时尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

4 结论

ESD是造成电子产品损害的重要原因之一，只要从设计之初重视起来，从壳体、电路上进行防护，是完全可以避免的，进而可保证电力终端稳定可靠地运行。

[1] 尹令,张丽霞,夏玥.基于移动通讯终端的ESD问题研究[J]. 电子技术应用,2005,31(10):59-61.

[2] 吕晓德，白同云. 电磁兼容设计[M]. 北京：邮电大学出版社，2001.

[3] 周旭. 电子设备防干扰原理与技术[M]. 北京：国防工业出版社，2006.

[4] MONTROSE M.电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M].刘源安，译.北京：人民邮电出版社，2002.

[5] 杨锦丽.电子通信产品的ESD防护设计技术研究[J].电脑知识与技术(学术交流)，2015,11(3):242-243.

Research on protection technology of ESD in power terminal

Du Jun1，2, Zhao Dongyan1，2, Liang Hua1，2, Hu Qilong1，2

(1. State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-ChipMicroelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China; 2. Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192,China)

V351.31;TM7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.012

杜君，赵东艳，梁华，等.电力终端中ESD防护技术的研究[J].微型机与应用，2017,36(18)：39-42.

2017-03-22)

杜君(1982-)，女，硕士研究生，工程师，主要研究方向：智能终端和仪表。

赵东艳(1970-)，女，硕士研究生，教授级高级工程师，主要研究方向：信号处理与专用集成电路设计。

梁华(1981-)，男，本科，工程师，主要研究方向：智能终端和仪表。