数字实验台核心板防静电设计

白 勃，何先灯，李 毅，商 鹏，杜 欣

（1. 西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071；2. 西安工业大学 经济管理学院，陕西 西安 710021）

随着电子行业的发展，体积小、集成度高的电子器件里导线间距越来越小、绝缘膜越来越薄，从而导致器件耐击穿性越来越差[1-2]。静电电压通常超过其击穿阈值，容易造成器件的击穿或失效，影响器件的技术指标，降低其可靠性[3-5]。静电放电（electro-static discharge，ESD）会造成电子产品和设备的功能紊乱，甚至部件损坏[6-7]，已经成为电子器件产品不可忽视的问题和危害，以及维护电子器件产品稳定性和可靠性必须解决的重要问题之一。

“电子线路实验（一）”是针对我校通信工程、信息工程、空间信息与数字技术等专业本科生的一门必修实验课。课程旨在让学生加深对电子线路理论，特别是对数字逻辑电路设计理论的理解，掌握常用电子线路的设计、组装、调整和测试技能，并初步具备工程实践能力，以及应用计算机仿真软件分析与设计实验电路的能力。同时，让学生了解本课程常用仪器的基本原理、技术性能、使用及测量方法，并具有正确处理实验数据、分析实验结果、撰写实验报告的能力。

由于该课程开设的时间为第三学期（秋季学期），学生上课时通常穿着较厚的毛衣、羽绒服等衣物；此外，使用暖气供暖的实验室空气干燥、湿度较低，学生在动手连接导线、插拔芯片时，极易产生高压静电击穿核心板上可编程器件的现象。相比器件过载烧毁现象，可编程器件被高压静电击穿后，并无发烫、冒烟等容易识别的特征，通常会导致实验进行到最后一步下载通电验证时，无法呈现出应有的实验结果，最终导致实验失败。

本文针对“电子线路实验（一）”课程所使用数字实验台的核心板极易被高压静电击穿烧毁，导致学生实验失败的问题，在不改变现有数字实验台基础板的前提下，研究设计新型的核心板静电保护电路，从而增强数字实验台的抗击穿性，提高学生实验的成功率。

1 静电放电模型及常用防护方法

1.1 静电模型

静电是存在于物体表面的一种特殊电能，是正负电荷在局部失衡所产生的一种现象。附着在物体表面的静电荷会通过电子器件的管脚瞬间进入电路内部，产生峰值达数安培的瞬态大电流，从而将电子器件烧毁。根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式[8-11]，常用的静电放电模型主要分为人体模型、机械模型、充电模型和电场感应模型等4 种模型，而人体模型和机械模型通常被用来测试电子元器件和电子产品的ESD 防护性能。

（1）人体放电模型。人体表皮与衣物摩擦时产生的电荷接触到芯片时，会释放电荷导致芯片烧毁击穿。具体的放电路径为：人体—器件—地。秋天与别人触碰经常触电就是这个原因。人体放电模型的ESD 标准：等效人体电容为100 pF，等效人体电阻为1.5 kΩ。

（2）机器放电模型。机器移动过程汇总产生的静电触碰芯片时由管脚释放，从而导致芯片烧毁击穿。具体的放电路径为：器件—器件—地。机器放电模型的ESD 标准：等效机器电容为100 pF，等效机器电阻为0 Ω。由于等效电阻为0 Ω，所以放电时间很短，在ms 或者us 量级。同时，由于等效电阻为0 Ω，产生的电流极大，产生的危害远大于同级别的人体放电。

1.2 常用静电防护方法

常用的ESD 防护主要包括并联保护器件ESD 防护、串联阻抗ESD 防护、增加滤波网络、增加吸收回路等几种方式[12-13]。

（1）并联保护器件ESD 防护。常用的放电器件有瞬态二极管（TVS）、齐纳二极管、压敏电阻、气体放电管等，放电器件的并联ESD 防护如图1 所示。

（2）串联阻抗ESD 防护。通过串联电阻或者磁珠限制ESD 放电的电流，达到ESD 防护的目的，放电器件的串联ESD 防护如图2 所示。

（3）增加滤波网络。滤波器可以滤除掉主要的能量，从而达到静电防护的目的。对于低频信号，如GPIO输入、ADC、音频输入可以用电容来做静电防护，使用滤波网络的器件放电ESD 防护如图3 所示。

图1 并联ESD 防护示意图

图2 串联ESD 防护示意图

图3 滤波网络ESD 防护示意图

（4）增加吸收回路。通过在敏感信号附近增加漏铜来吸收静电，其基本原理和避雷针类似，但由于安装复杂、使用场景受限等缺陷，很少使用在电子器件的ESD 防护领域。

2 数字实验台特点及ESD 防护电路设计

2.1 数字实验台及核心板

“电子线路实验（一）”课程使用的数字实验台如图4 所示，主要包含基础板和核心板两块板卡。其中，基础板包含逻辑输入输出、电路连接单元、独立按键、八段位数码管、基本信号源，以及各种电源输入接口等几个主要部分，主要用于接插基本的与非门独立元件，搭建实现相关的逻辑功能电路，并为核心板供电。核心板则由搭载了一块型号为 EMP240T100C5 的CPLD 可编程芯片、一个用于提供系统时钟的16MHz晶振、多个用于输出指示的LED 贴片器件、多个用户信号输入输出的接插件、用于程序下载调试的接口，以及其他相关的器件组成。在具体的实验过程中，学生需要根据不同的实验任务要求，使用原理图方法或硬件描述语言编程方法，自行设计相关程序，使用Quartus 仿真通过后，通过USB-Blaster 下载至CPLD可编程器件进行加电测试。

图4 数字实验台

如图5 所示，核心板的正面已经安装了一块用于避免裸手接触芯片器件的透明亚克力塑料板，可以有效地防止学生在实验操作过程中，因直接用手触摸芯片器件导致芯片被静电击穿的现象。然而，由于在核心板的顶部和底部，各有两行用于连接输入/输出信号的插孔P1-P8、P15-P21、P26、P51-P58 和P66-P73，学生在使用导线连接输入/输出信号时，也较容易发生静电击穿的现象。

图5 核心板

2.2 ESD 防护电路设计

数字实验台是由GWinstek GPD-3303 数字式直流稳压电源提供直流供电，所以，需要保证该稳压电源的有效接地，这也是保证ESD 防护电路有效工作的基本前提。由于在具体的实验操作过程中，核心板上的CPLD 可编程器件被静电击穿烧毁的主要类型为人体ESD 击穿。因此，可以使用佩戴静电手环的方式，有效释放附着在人体表皮，特别是手上的高压静电荷，从而防止电子器件被ESD 击穿。同时，也可以通过增加实验室内的空气湿度等措施，抑制人体表面静电荷的生产。然而，现有教室的实验桌均为老式的木质塑压板结构，使用静电手环需要加装专用的ESD 放电线路，成本较高、工期较长，并不适用于数字实验台相关实验的ESD 防护。综上所述，为解决数字实验台的核心板极易被高压静电击穿烧毁问题，在不改变现有数字实验台基础板的前提下，研究设计相关的核心板ESD 防护电路，是增强数字实验台的抗ESD 击穿，提高学生实验成功率的最为有效途径。

根据ESD 防护电路布设的置位，可以将ESD 防护电路分为片外ESD 防护电路和片内ESD 防护电路。片内ESD 防护一般在芯片设计制作过程中进行，因此，本文采用了片外ESD 防护电路。常见的片外ESD防护器件有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、多层变阻器和TVS 等多种类型。其中，多层变阻器利用压敏电阻的阻值随电压非线性变化的特性，将加载在压敏电阻两极间的ESD 电压限制在一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。常用作手机、机顶盒等多种电子产品的ESD 防护。而基于TVS 的ESD 防护电路则通常并联使用在需要被保护的电子器件上，当加载在电子器件上的电压超过正常工作范围时，即发生ESD 放电现象时，TVS 二极管会发生雪崩，将ESD 产生的瞬态大电流以旁路的方式释放掉，从而避免电子器件被ESD 高电压击穿或瞬态大电流烧毁。

结合如图6 和图7 所示的核心板的电路原理图和PCB 图，可以看出位于核心板的顶部和底部的，用于连接输入/输出信号的插孔 P1-P8、P15-P21、P26、P51-P58 和P66-P73，以每四个一组的方式，通过各异限流电阻直接连接到CPLD 可编程器件的不同管脚上。因此，在满足CPLD 可编程器件有效ESD 防护的前提下，为降低电路复杂性和改造成本，并考虑到真实实验过程中，ESD 放电电压仅来自插孔P1-P26 和P51-P73 中某一个或几个插孔的现象，以及人体ESD放电信号持续时间短（约为500 ns）、中心频率高（约为40 MHz）的特点，本文采用TVS 二极管并联防护加多通道复用的设计方法。将核心板的外接插孔根据在电路板上的布设位置交叉划分为8 组，在每一个外接插孔上并联一个贴片电容，最后通过共用TVS 二极管的方式，实现CPLD 器件的ESD 防护。如P1、P15、P58 和P73 4 个外接插孔各自并联一个Risym 0805 贴片电容（标称0.01uF）后，通过共用一个Risym 贴片肖特基二极管 IN5819 连接到核心板的数字地端。Risym 0805 贴片电容和 Risym 贴片肖特基二极管IN5819 的批量采购价格分别为3 分/个和7 分/个，因此，一块含ESD 防护的核心板的器件成本仅比未含防护的多1.5 元。

图6 核心板原理图

图7 核心板PCB 图

3 结语

本文针对“电子线路实验（一）”课程所使用数字实验台的核心板极易被高压静电击穿烧毁，导致学生实验失败的问题，在不改变现有数字实验台基础板的前提下，根据真实实验过程中ESD 放电现象的特点，采用TVS 二极管并联防护加多通道复用的设计方法，研究设计新型的核心板ESD 防护电路。在严格控制成本、电路板体积的同时，增强数字实验台的抗击穿性，提高学生实验的成功率。最后，本文研究设计的ESD防护电路不仅可以解决该课程中核心板被静电击穿导致实验失败的问题，而且可以推广到“微机原理实验”“综合电子线路设计”等涉及芯片、核心器件被静电击穿现象的课程中，有利于提高实验板的可靠性以及学生实验的成功率。