今天主要來聊一下ESD。相信大多數(shù)小伙伴都會深有體會，在眾多的EMC測試中，ESD抗擾度的測試屬實是非常讓人頭疼的了。雖然是塊硬骨頭，但是就算冒著崩了牙的風(fēng)險，咱們也得啃一啃啊。放心，這里不能幫你打通任督二脈，頂多也就是給你牙齒補補鈣，讓你下嘴的時候多些底氣，哈哈。開個玩笑。

本文概要

概念特點放電模型測試示意圖測試等級ESD發(fā)生過程干擾機理放電方式常見失敗原因設(shè)計思路整改思路測試標準

概念

靜電抗擾度測試是用來評估設(shè)備或系統(tǒng)在遭受靜電放電時抵抗干擾的能力的試驗。

特點

頻譜寬

靜電放電的頻譜寬度可以從幾十兆赫（MHz）延伸到幾千兆赫（GHz），甚至更高。這種寬頻譜的電磁輻射會對周圍的電子設(shè)備造成干擾，甚至可能損壞設(shè)備內(nèi)部的電路。

電磁場幅度強

靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度可以達到幾百伏/米甚至更高，頻譜范圍也極寬，從幾十兆赫茲到幾千兆赫茲不等。

隱蔽性

靜電放電過程往往不易被直接察覺，因為人體感知的靜電放電電壓較高（一般為2~3KV），而日常生活中的靜電放電往往低于這個閾值。

潛在性

有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次積累放電會給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。

隨機性

從一個元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機性，其損壞也具有隨機性。

靜電放電發(fā)生器模型

下圖截取自GB/T 17626.2 靜電放電抗擾度實驗

測試布置示意圖

測試臺的布置按照標準中的要求進行是測試順利通過的關(guān)鍵，下圖截取自GB/T 17626.2 靜電放電抗擾度實驗，共有4幅。分為臺式接地，落地式接地，臺式浮地，落地式浮地；區(qū)別是浮地設(shè)備因為不能接大地，需要在測試的時候，通過靜電刷進行放電，防止靜電荷的累積。浮地設(shè)備因為不能及時將靜電導(dǎo)入大地因此在ESD測試整改中，具有更高的難度。其他內(nèi)容，這里不做過多闡述，有需要的朋友可以去閱讀標準。

實驗室臺式設(shè)備試驗布置實例

實驗室落地式設(shè)備試驗布置實例

實驗室不接地臺式設(shè)備試驗布置實例

實驗室落地式不接地設(shè)備試驗布置實例

測試等級

測試等級根據(jù)所測產(chǎn)品的行業(yè)要求進行選擇，下圖截取自GB/T 17626.2 靜電放電抗擾度實驗。

ESD發(fā)生過程

1、靜電積累

物體通過摩擦、接觸或感應(yīng)等方式積累靜電荷。

2、靜電誘導(dǎo)

帶電體接近或者接觸到另一個導(dǎo)體時，會在該導(dǎo)體上誘導(dǎo)出相反極性的電荷。

3、電荷遷移

由于電位差的存在，電荷通過一個導(dǎo)電通路從一個物體遷移到另一個物體，以達到電位平衡。

4、放電現(xiàn)象

在電荷遷移的過程中，可能會發(fā)生電流流過、產(chǎn)生熱能、發(fā)出光和聲等現(xiàn)象。

干擾機理

1、ESD干擾通過傳導(dǎo)方式進入產(chǎn)品內(nèi)部；

2、ESD干擾通過電磁波輻射方式進入產(chǎn)品內(nèi)部；

放電方式

接觸放電

主要針對半成品電子電氣產(chǎn)品或帶金屬外殼的成品，特別是金屬外殼。接觸放電的放電頭是尖頭，緊密地頂住待測產(chǎn)品的金屬部分進行測試。這種測試方法模擬了操作者或物體在接觸設(shè)備時的放電情況接觸放電槍頭如下圖所示：

空氣放電

主要針對塑料外殼或金屬外殼表面有絕緣漆的成品。空氣放電的放電頭是圓形頭，模擬了人或物體對鄰近物體的放電情況。空氣放電槍頭如下圖所示：

耦合板放電

對受試設(shè)備周邊的耦合板實施放電，模擬人員對受試設(shè)備附近的物體進行放電；

常見失敗原因

1、靜電放電電流直接流進電路；

2、靜電放電電流通過分布電容耦合進附近電路；

3、IC 等元器件的 ESD 抗擾能力不夠；

4、CPU 沒有 Watch Dog, 軟件濾波不好；

5、板卡電纜接口處沒有良好的濾波措施；

6、鈑金或者板卡地沒有處理好，導(dǎo)致在地線上產(chǎn)生電位差；

7、板卡地平面處理不當，沒有實現(xiàn)低阻抗的地平面，不能夠提供低阻抗的靜電電流回流路徑；

8、整機鈑金設(shè)計不當，所有鈑金沒有實現(xiàn)低阻抗的連接，不能夠提供低阻抗的靜電電流回流路徑；

整改思路

首先分析靜電耦合路徑。

在進行靜電測試故障分析時，耦合路徑分析是至關(guān)重要的一步。靜電測試中的故障往往與靜電放電（ESD）對電路或系統(tǒng)的干擾有關(guān)，這種干擾可能通過傳導(dǎo)路徑或輻射路徑進入敏感電路，導(dǎo)致功能異常或測試失敗。

網(wǎng)上看到一個判斷干擾時走的傳導(dǎo)路徑還是輻射路徑的方法。這里也分享出來，可以供大家提供一個思路：拿著靜電槍對一個金屬接地線或者螺絲刀在產(chǎn)品上方進行連續(xù)的拉弧放電，在對產(chǎn)品懷疑的敏感區(qū)域重點測試。測試過程中要注意，拉弧放電與產(chǎn)品的間距，避免直接對產(chǎn)品電路進行放電，導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。若這種方式測試后，產(chǎn)品沒有出現(xiàn)對應(yīng)的故障現(xiàn)象，那么大概率的是傳導(dǎo)干擾為主。

這里我認為在一項測試中，不一定單純是傳導(dǎo)路徑或是輻射路徑。很可能傳導(dǎo)路徑與輻射路徑都有。所以任何方法技巧都是人們總結(jié)出來的，不是一勞永逸的。所以可以作為參考，不能作為依據(jù)。然而一些基礎(chǔ)的物理特征我覺得是可以信賴的。

傳導(dǎo)干擾路徑特征：低頻電流優(yōu)先通過低電阻路徑，高頻電流，優(yōu)先通過低阻抗路徑，阻抗需要考慮寄生的感抗與容抗，關(guān)注走線的長度和寬度，走線與走線之間的距離。通過對最低阻抗路徑的分析，評估靜電放電干擾電流是否有按設(shè)計規(guī)劃的路徑走，該路徑是否有抗靜電能力差的或是敏感的信號走線。

輻射干擾路徑特征：輻射干擾路徑主要分析信號環(huán)路大小。因為信號的環(huán)路大小與感應(yīng)的靜電干擾所產(chǎn)生電壓成正比。因此針對輻射敏感區(qū)域查看PCB和結(jié)構(gòu)上是否存在有大環(huán)路的敏感信號。

找到耦合路徑的第一步就是明確故障現(xiàn)象。能夠直接觀察到的現(xiàn)象包含但不限于：圖像、聲音、機械執(zhí)行功能元器件、示波器測試波形等。對于一些偶發(fā)的故障，還可以使用提高測試等級的辦法，讓故障現(xiàn)象重現(xiàn)，以便進行思考分析。通過測試的現(xiàn)象，結(jié)合原理圖、PCB圖，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，綜合去考慮分析靜電的耦合路徑。比如，靜電放電測試過程中出現(xiàn)設(shè)備重啟的現(xiàn)象。這種故障大概率是MCU復(fù)位引腳或供電引腳因被靜電干擾導(dǎo)致電壓跌落造成的。分析該故障，可以使用上面判斷是傳導(dǎo)路徑還是輻射路徑的方式進行測試。然后結(jié)合上面兩種干擾路徑的特征去查找產(chǎn)品故障的薄弱環(huán)節(jié)。

其次是解決對策。

在這里我們把對策歸納為三個字：疏、堵、防；

疏疏，疏通。就是讓靜電的能量按照設(shè)計規(guī)劃的路徑去走，避開敏感信號。而不是任其隨意亂躥，從而干擾電路的正常運行。ESD二極管：通過一個無害的路徑把靜電能量釋放，注意器件的放置位置很重要；

電容：使用小容值陶瓷電容，可以濾除高頻靜電分量，保護芯片等敏感電路不受靜電干擾損壞；

堵

堵就是把通過該路徑上的靜電能量以熱能的形式進行消耗；

磁珠：對靜電中的高頻成分有很好的吸收作用。

電阻：消耗所有頻率成分的靜電干擾；

防1）使用屏蔽外殼，屏蔽罩等，防止靜電干擾耦合到敏感元件；

2）增大耦合距離，盡量遠離干擾源；

設(shè)計思路有了對上面失敗原因和整改思路的了解認識，那么在產(chǎn)品設(shè)計的時候就有了更為清晰的指導(dǎo)。越早考慮EMC問題，費用越低，效率越高（費效比規(guī)律）。所以在原理圖和PCB設(shè)計時，對可能引起靜電干擾問題的部分要有具體的解決對策。這里只是簡單羅列一些，僅供參考。最好能結(jié)合自己的產(chǎn)品總結(jié)出一個Checklist,設(shè)計的時候?qū)φ諜z查，那就非常nice了。1、板卡接口良好的濾波以及鉗位措施；2、板卡地平面劃分合理，盡量保證地平面低阻抗設(shè)計；3、易受擾電路合理屏蔽；4、電路功能設(shè)計上盡量避免使用沿觸發(fā)；5、良好的鈑金設(shè)計；6、線材加屏蔽或者加磁環(huán),以消除共模干擾；7、整機線材和板卡分布合理，避免通過分布電容耦合影響其他電路；8、單板布局中，要保證地平面的完整性；

9、單板設(shè)計中，走線盡量短、粗，盡量遠離其他可能引入干擾的走線；

10、單板設(shè)計中，敏感信號必要的時候進行包地處理，并在包地線上打地孔；11、單板合理布局，盡量使信號環(huán)路最小；12、單板合理布局，按照可能的干擾路徑，合理布局防護器件；13、條件允許的情況下，盡量選擇ESD防護等級高的IC;

測試標準

以下是ESD測試的國家標準和國際標準，對具體標準的閱讀和理解，有助于幫助我們更高效的通過測試。

1）國家標準：GB/T 17626.2；

2）國際標準:IEC61000-4-2；

以下是本次分享內(nèi)容提煉的思維導(dǎo)圖：

以上是今天分享的內(nèi)容。