感应起电 ESD静电不用怕，终极大招来了！ （看完你还怕静电吗？）

静电是一种常见的自然现象。静电的许多功能已经应用到军事或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电已经成为电子产品和设备的一种危害，导致电子产品和设备的功能障碍甚至元件损坏。

先说静电相关的问题。在第一部分的最后，我们介绍了一种解决数字产品静电放电问题的最终措施。第二部分给出了一个印刷电路板设计过程中的抗静电实例，并进行了详细的分析。

第1部分静电放电静电基本问题

现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，导致半导体器件对外部电磁干扰的灵敏度大大提高。人们越来越关注静电放电带来的干扰，以及对元器件、CMOS电路和接口电路的损坏。电子设备的静电放电也作为电磁兼容测试的重要内容写入了国家和国际标准。

1.静电原因和危害

静电是两种不同介电系数的物质摩擦时，正负极性电荷在两个特殊物体上积累而形成的。当两个物体接触时，一个倾向于从另一个吸引电子，所以它们会形成不同的充电电位。就人体而言，衣服与皮肤摩擦产生的静电是导致起电的主要原因之一。

当静电源与其他物体接触时，根据电荷中和的机理有电荷流动，传递足够的电来抵消电压。在高速输电过程中，会产生潜在的破坏电压、电流和电磁场，严重时会破坏其中的物体，称为静电放电。

A.发电联系出去了

用不同材料制成的任意两个物体接触分离都会产生静电。当两个不同的物体接触时，一个物体会失去一些电荷，比如电子转移到另一个物体上使其带正电荷，而另一个物体会得到一些带剩余电子的物体并带负电荷。如果电荷在分离过程中难以中和，电荷就会积累，导致物体带静电，所以物体与其他物体接触后会带静电。

B.摩擦起电

本质上，摩擦带电是一个接触和分离的过程，导致正负电荷之间的不平衡。摩擦是一个持续接触和分离的过程。所以摩擦带电本质上是接触出电，最常见的产生静电的方式是摩擦带电。材料的绝缘性越好，就越容易使用摩擦带电。

摩擦起电是一个机械过程，依靠相对的表面运动来传递电能。传输的电能取决于接触时间、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦特性和相对运动速度。一个人或一辆车能带来的电压值很大程度上取决于它们的电容。

C.感应起电

对于一种导体材料，由于电子可以在其表面自由流动，比如置于电场中，正负离子会因为同性的排斥和异性的吸引而发生转移。

D.导电起电

对于导电材料，由于电子可以在其表面运动，比如带电物体的接触，就会发生电荷转移。

根据国家标准，静电放电是由具有不同静电电位的特殊物体接近或直接接触而引起的电荷转移，一般表示为静电放电。静电放电会导致电子设备严重损坏或异常运行。

静电对设备造成的损害有两种:显性和隐性。当时看不到隐性损伤，但在超压和高温条件下，装置变得更加脆弱，容易损坏。

静电放电的两种主要失效机制是:静电放电电流产生的热量导致设备热失效；静电放电引起的过高电压会导致绝缘击穿。一个器件可能同时发生两种损坏，例如绝缘击穿可能会激发大电流，进而导致热故障。静电放电除了容易造成电路损坏外，还容易对电子电路造成干扰。静电放电干扰电子电路有两种方式。一个是传导干扰，一个是辐射干扰。

2.数字产品的结构及其静电放电问题

现在各种数码产品的功能越来越强，电路板越来越小，集成度越来越高。而且都或多或少的配备了一些人机交互的接口，所以存在人体静电放电的ESD问题。一般数字产品需要ESD保护:USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机等数据传输接口。

静电放电可能导致产品异常运行、碰撞甚至损坏，并引起其他安全问题。因此，在产品上市之前，国内或国外的检测部门都要求进行ESD等浪涌冲击测试。其中接触放电需要达到8 kV，空气体放电需要达到15kV，对ESD设计提出了更高的要求。

3.数字产品中静电放电问题的解决和保护

3.1产品结构设计

如果把释放出来的静电当成洪水，主要的解决方法和治水差不多，就是“堵”“排”。如果我们设计的产品有一个密闭的理想外壳，静电就不会进入，当然也不会有静电问题。但是实际的外壳往往在闭合位置有缝隙，很多都有金属装饰片，一定要注意。

第一，用“堵”的方法。尽量增加外壳的厚度，即增加外壳与电路板的距离，或者通过一些等效的方法增加外壳的气隙距离，以避免或大大降低静电放电的能量强度。

通过改进结构，可以增加外壳与内部电路之间的气隙距离，从而大大降低静电放电的能量。根据经验，8kV ESD距离4mm后能量衰减一般为零..

其次，可以通过“稀疏”的方法在外壳内侧喷涂EMI漆。EMI漆是导电的，可以看作是金属屏蔽层，可以在外壳上传导静电；然后将外壳连接到PCB(印刷电路板)的地，使静电远离地面传导。这种处理方法既能防静电，又能有效抑制电磁干扰。如果有足够的空间空，可以使用金属屏蔽来保护其中的电路，金属屏蔽可以连接到印刷电路板的GND。

总之，ESD外壳设计需要注意的地方很多。首先，静电放电应尽可能不进入外壳，进入外壳的能量应最小化。进入外壳的静电放电应尽可能远离GND，并且不应伤害电路的其他部分。使用外壳上的金属装饰品时要小心，因为它可能会带来意想不到的结果，这需要特别注意。

3.2产品的印刷电路板设计

目前产品的PCB(印刷电路板)都是高密度板，一般是四层板。随着密度的增加，趋势是使用6层板，其设计总是需要考虑性能和面积的平衡。一方面，空房间越大，空房间可以放置的部件越多。同时线宽和线间距越宽，有利于EMI、音频、ESD等方面。另一方面，数字化产品设计的紧凑性是趋势和需要。因此，我们需要在设计中找到一个平衡点。就静电放电而言，设计中有许多地方需要注意，尤其是GND布线和线间距的设计。有些产品静电放电问题很大，原因找不到。通过反复的研究和实验，发现这是PCB设计中的一个问题。因此，本文总结了印刷电路板设计中应注意的要点:

(1)印刷电路板边缘(包括过孔边界)与其他布线的距离应大于0.3毫米；；

(2)2)PCB的边缘应被GND迹线包围；

(3)保持3)GND与其他配线的距离在0.2mm ~ 0.3mm；

(4)保持4)Vbat与其他接线之间的距离在0.2 mm到0.3 mm之间；

(Reset、Clock等重要线路与其他线路的距离应大于0.3mm

(6)大功率导线与其他布线之间的距离保持在0.2毫米至0.3毫米之间；

(7)不同层的GND应通过尽可能多的通孔连接；

(8)最终铺地时应尽可能避免尖角，尖角应尽可能平滑。

3.3产品的电路设计

在外壳和PCB的设计中，关注了静电放电之后，静电放电必然会进入产品的内部电路，尤其是以下端口:USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机等数据传输接口，很可能会将人体的静电引入内部电路。因此，这些端口需要使用静电放电保护装置。

过去使用的静电保护装置主要有压敏电阻和TVS装置，但这些装置的共同缺点是响应速度慢、放电电压不准确、极间电容大、使用寿命短、重复使用导致电气性能差。因此，专业的“静电抑制器”在行业中被广泛使用，以取代以前的静电保护装置。“静电抑制器”是解决静电问题的专业产品，其内部结构和工作原理比其他产品更科学专业。它由高分子聚合物材料制成，其内部菱形分子排列成规则的离散形状。当静电电压超过器件的触发电压时，内部分子迅速产生尖端对尖端的放电，瞬间将静电释放到地面。它最大的特点是反应速度快(0.5ns~1ns ~ 1 ns)，极低的极间电容(0.05pf~3pf ~ 3 pf)，极小的漏电流(1μA)，非常适合各种接口的保护。

因为静电抑制器具有体积小、无极性、反应速度快等优点。，静电抑制器在当前设计中用作保护装置的比例正在增加，使用时应注意以下几点:

1.将设备尽可能靠近要保护的端口；

2.与GND的联系越短越好；

3.相连的GND面积越大越好。

静电放电是许多重要问题之一。在不同的电子设备中，有不同的方法来避免对电路的损害。由于当前数字产品的尺寸小、密度高，它们在静电放电保护方面具有独特的特点。通过大量的静电测试实验，证明采用本文的设计方法对一个2kV放电后会死机的产品进行了保护和改进，在8kV静电放电条件下仍能稳定工作，具有良好的静电保护效果。随着电子设备的使用越来越多，静电放电设计成为每个结构设计工程师和电子设计工程师关注的焦点。通过不断的总结和学习，ESD问题将不再是难题！

第二部分讨论印制电路板设计中的抗静电方法

在印刷电路板的设计中，印刷电路板的防静电设计可以通过分层、适当布局和安装来实现。在设计过程中，大多数设计修改都可以通过预测限制在增加或减少组件。通过调整印刷电路板布局，可以很好地防止静电放电。以下是一些常见的注意事项。

尽量使用多层PCB。与双面PCB相比，接地层和电源层，以及排列紧密的信号线-地间距，可以降低共模阻抗和电感耦合，使其达到双面PCB的1/10到1/100。尽量使每个信号层靠近电源层或接地层。对于上下表面有元器件、连接线短、填充区域多的高密度PCB，可以考虑内层导线。

对于双面PCB，应采用紧密交织的电源网格和接地网格。电源线靠近地线，应尽可能连接在纵横线或填充区之间。一侧网格尺寸小于等于60毫米，如果可能，网格尺寸应小于13毫米。

确保每个电路尽可能紧凑。

尽可能将所有连接器放在一边。

如果可能，从卡的中心引入电源线，并远离易受静电放电影响的区域。

在引出机箱的连接器下的所有PCB层(容易被ESD直接击中)上，应放置一个宽大的机箱接地或多边形填充接地，并通过间隔约13 mm的孔连接在一起。

将安装孔放在卡的边缘，并用无焊料的顶部和底部焊盘将安装孔的外围连接到机箱接地。

组装印刷电路板时，不要在顶部或底部焊盘上涂任何焊料。使用带嵌入式垫圈的螺钉，实现金属底盘/屏蔽层或接地层上的印刷电路板和支架之间的紧密接触。

每层底盘接地和电路接地之间应设置相同的“隔离区”；如果可能，将分离距离保持在0.64毫米。

在靠近安装孔的卡的顶部和底部，用1.27毫米宽的导线沿底盘接地线每100毫米连接底盘接地和电路接地。在这些连接点附近，用于安装的焊盘或安装孔位于底盘接地和电路接地之间。这些接地连接可以用刀片刮擦以保持开路，或者用磁珠/高频电容器跨接。

如果电路板不会放置在金属外壳或屏蔽装置中，则不应在电路板的顶壳和底壳的接地线上涂阻焊剂，以便用作静电放电电弧的放电电极。

以下列方式在电路周围设置一个环:

(1)除了边缘连接器和底盘，在整个周边放置一个环形路径。

(2)确保所有层的环形宽度大于2.5毫米

(3)每隔13毫米用孔环形连接

(4)将环形接地与多层电路的公共接地相连。

(5)对于安装在金属外壳或屏蔽装置中的双面板，环应与电路共同连接。未屏蔽的双面电路应呈环形连接到底盘接地，环形接地不应涂有阻焊层，以便环形接地可以充当静电放电棒。在环地(所有层)的某处至少要放置一个0.5mm宽的缝隙，以免形成大的回路。信号线与环形地线之间的距离不得小于0.5毫米

在可能被静电放电直接击中的区域，应在每条信号线附近铺设接地线。

输入/输出电路应尽可能靠近相应的连接器。

易受静电放电影响的电路应放置在电路中心附近，以便其他电路能为其提供一定的屏蔽效果。

通常在接收端放置串联的电阻和磁珠，对于容易被ESD击中的电缆驱动器，也可以在驱动端考虑串联的电阻或磁珠。

瞬态保护器通常放置在接收端。用短粗电线(长度小于宽度的5倍，最好小于宽度的3倍)连接到机箱接地。连接器的信号线和接地线应在连接到电路的其他部分之前直接连接到瞬态保护器。

滤波电容应放置在连接器上或距离接收电路25毫米以内。

(1)用短粗导线(长度小于宽度的5倍，最好小于宽度的3倍)连接到底盘接地或接收电路接地。

(2)信号线和接地线首先连接到电容器，然后连接到接收电路。

确保信号线尽可能短。

当信号线长度大于300毫米时，必须平行铺设接地线。

确保信号线和相应环路之间的环路面积尽可能小。对于长信号线，信号线和接地线的位置应每隔几厘米改变一次，以减少环路面积。

驱动信号从网络中心进入多个接收电路。

确保电源与地之间的回路面积尽可能小，并在集成电路芯片的每个电源引脚附近放置一个高频电容。

在每个连接器80毫米范围内放置一个高频旁路电容。

在可能的情况下，未使用的区域应填充土地，所有层的填充区域应间隔60毫米连接。

确保在任意大的地面填充区域(约大于25毫米×6毫米)的两个相对端点与地面连接。

当电源或接地层上的开口长度超过8毫米时，用一条窄线连接开口的两侧。

复位线、中断信号线或边沿触发信号线不能布置在PCB边沿附近。

将安装孔与电路公共接地相连，或将其隔离。

(1)当金属支架必须与金属屏蔽装置或底盘一起使用时，应使用零欧姆电阻实现连接。

(2)确定安装孔的尺寸，实现金属或塑料支架的可靠安装。安装孔的顶层和底层应使用大焊盘，底部焊盘不应使用阻焊剂，并确保底部焊盘不采用波峰焊工艺焊接。

受保护的信号线和不受保护的信号线不能平行排列。

特别注意复位、中断和控制信号线的接线。

(1)使用高频滤波。

(2)远离输入和输出电路。

(3)远离电路板边缘。

PCB应插入机箱内，不应安装在开口位置或内部接头处。

注意磁珠下方、焊盘之间以及可能接触到磁珠的信号线布线。有些磁珠导电性好，可能会产生意想不到的导电路径。

如果一个机箱或主板上有几块电路板，那么对静电最敏感的电路板应该放在中间。

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