什么是ESD（静电放电）及ESD保护电路的设计

冷面寒冰6 2014-12-14

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静电放电(ESD， electrostatic discharge )是在电子装配中电路板与元件损害的一个熟悉而低估的根源。它影响每一个制造商，无任其大小。虽然许多人认为他们是在ESD安全的环境中生产产品，但事实上，ESD有关的损害继续给世界的电子制造工业带来每年数十亿美元的代价。

ESD究竟是什么？静电放电(ESD)定义为，给或者从原先已经有静电(固定的)的电荷(电子不足或过剩)放电(电子流)。电荷在两种条件下是稳定的：

当它“陷入”导电性的但是电气绝缘的物体上，如，有塑料柄的金属的螺丝起子。

当它居留在绝缘表面(如塑料)，不能在上面流动时。

可是，如果带有足够高电荷的电气绝缘的导体(螺丝起子)靠近有相反电势的集成电路(IC)时，电荷“跨接”，引起静电放电(ESD)。

ESD以极高的强度很迅速地发生，通常将产生足够的热量熔化半导体芯片的内部电路，在电子显微镜下外表象向外吹出的小?弹孔，引起即时的和不可逆转的损坏。
更加严重的是，这种危害只有十分之一的情况坏到引起在最后测试的整个元件失效。其它90%的情况，ESD损坏只引起部分的降级 - 意味着损坏的元件可毫无察觉地通过最后测试，而只在发货到顾客之后出现过早的现场失效。其结果是最损声誉的，对一个制造商纠正任何制造缺陷最付代价的地方。

可是，控制ESD的主要困难是，它是不可见的，但又能达到损坏电子元件的地步。产生可以听见“嘀哒”一声的放电需要累积大约2000伏的相当较大的电荷，而3000伏可以感觉小的电击，5000伏可以看见火花。

例如，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)或电气可编程只读内存(EPROM, electricall programmable read-only memory)这些常见元件，可分别被只有250伏和100伏的ESD电势差所破坏，而越来越多的敏感的现代元件，包括奔腾处理器，只要5伏就可毁掉。

该问题被每天的引起损害的活动复合在一起。例如，从乙烯基的工厂地板走过，在地板表面和鞋子之间产生摩擦。其结果是纯电荷的物体，累积达到3~2000伏的电荷，取决于局部空气的相当湿度。

甚至工人在台上的自然移动所形成的摩擦都可产生400~6000伏。如果在拆开或包装泡沫盒或泡泡袋中的PCB期间，工人已经处理绝缘体，那么在工人身体表面累积的净电荷可达到大约26000伏。

因此，作为主要的ESD危害来源，所有进入静电保护区域(EPA, electrostatic protected area)的工作人员必须接地，以防止任何电荷累积，并且所有表面应该接地，以维持所有东西都在相同的电势，防止ESD发生。

用来防止ESD的主要产品是碗带(wristband)，有卷毛灯芯绒和耗散性表面或垫料 - 两者都必须正确接地。另外的辅助物诸如耗散性鞋类或踵带和合适的衣服，都是设计用来防止人员在静电保护区域(EPA)移动时累积和保持净电荷。

在装配期间和之后，PCB也应该防止来自内部和外表运输中的ESD。有许多电路板包装产品可用于这方面，包括屏蔽袋、装运箱和可移动推车。虽然以上设备的正确使用将防止90%的ESD有关的问题，但是为了达到最后10%，需要另一种保护：离子化。

中和那些可产生静电电荷的装配设备和表面的最有效方法是使用离子发生器(ionizer) - 一种设备吹出离子化空气流在工作区域，来中和累积在绝缘材料上的任何电荷。

一个常见的谬论是认为因为在工作站带上了碗带，该区域的绝缘体，如聚苯乙烯杯或纸板盒，所带的电荷将安全地消散。按定义，绝缘体不会导电，除了通过离子化不可能放电。

如果一个带电荷的绝缘体保留在EPA，它将辐射一个静电场，引发净电荷到任何附近的物体上，因此增加对产品的ESD损坏的危险性。虽然许多制造商企图从其EPA禁止绝缘材料，但这个方法是很难实施的。绝缘材料是日常生活中太多的一部分 - 从操作员坐落舒适的泡沫垫，到塑料盖中的一些东西。

由于离子发生器的使用，制造商可以接受一些绝缘材料在其EPA中出现的事实。因为离子发生系统连续地中和可能发生在绝缘体上面的任何电荷累积，所以对于任何的ESD计划，它们都是合理的投资。

标准电子装配中的离子发生设备有两种基本的形式：
桌面型(单个风扇)
过顶型设备(在单个过顶的单元内，有一系列的风扇)
也有室内离子发生器，但现在主要用于清洁房的环境。

选择决定于需要保护区域的大小。桌面型离子发生器将覆盖单一等工作表面，而过顶式离子发生器将覆盖两或三个。另一个优点是离子发生器也可防止灰尘静电附着于产品，可能使外观降级。

可是，如果没有对ESD设备有效性的正常测试和监测，那么没有一个保护计划是完善的。一流的ESD控制和离子化专家报告了使用失效的(因此是无用的)ESD设备而不知其失效的制造商的例子。

为了防止这种情况，除了标准的ESD设备，ESD供应商还提供各种恒定监测器，如果一项表现超出规定即自动报警。监测器可用作一个独立单元或在网络中连接在一起。也有自动数据采集的网络软件，实时显示有关操作员和工作站的系统表现。

监测器可通过消除许多日常任务来简化ESD计划，如保证碗带每天适当测量，离子发生器的平衡与正确维护，工作台接地点没有损坏。

结论
防止ESD的第一步是正确评价如果忽视，怎样小的细节可能造成不可修复的损坏。一个有效的计划要求不仅使用有效的ESD保护设备，而且严密的运作程序来保证所有工厂地面人员的行为是ESD安全的。

虽然许多制造商使用自动碗带测试仪，但常常可以看到操作员因为碗带太松而或者通过测试或者失效。许多操作员企图通过用另一只手简单抓着测试仪靠近其手腕来通过测试。

ESD保护电路的设计

静电放电（ESD）会给电子产品带来致命的危害，它不仅降低了产品的可靠性，增加了维修成本，而且不符合欧洲共同体规定的工业标准EN61000-4-2，产品就不能够在欧洲销售。所以电子设备制造商通常会在电路设计的初期就考虑ESD保护。本文将讨论ESD保护电路的几种方法。

ESD的危害
ESD基本上可以分为三种类型：一是各种机器引起的ESD，二是家俱移动或设备移动引起的ESD，三是人体接触或设备移动引起的ESD。这三种种ESD对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要。电子产品在使用过程最容易受到第三种ESD的损坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接触产生的ESD的损坏。在一般情况下ESD会损坏与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏，而是性能下降导致产品过早出现故障。

当集成电路（IC）经受ESD时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的IC管脚。瞬间大电流会严重损伤 IC，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。ESD对IC的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到破坏，晶体管单元被烧坏。ESD还会引起IC的死锁（LATCHUP）。这种效应和CMOS器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构，形成大电流信道，一般是从VCC到地。串行接口器件的死锁电流可高达1A。死锁电流会一直保持，直到器件被断电。不过到那时，IC通常早已因过热而烧毁了。ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题，一般用户和IEC测试机构使用传统的“环路反馈方法”和“插入方法”进行测试，通常检测不出这两个问题。

一个问题是RS-232接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰。同类产品RS -232接口电路中的ESD保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD冲击电压失效，经过ESD冲击后在接收器输入端和发送器输出端之间形成通路，从而导致接收器对发送器产生交调（图1）。如果RS-232接口电路中有关断电路，那么关断期间经过ESD冲击后更容易产生交调。产生交调后将导致通信失败，而且即使关断工作状态下发送器仍有输出，导致关断失效，使对方RS-232处在接收状态。

另一个问题是RS-232接口电路对电源产生反向驱动。某些RS-232接口电路中的ESD保护结构经过ESD冲击后可能在输入端与供电电源VCC之间形成电流通路（图2），对供电电源产生反向驱动。如果供电电源没有吸入电流的能力（通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管），这将导致电源电压VCC上升，从而损坏RS-232接口电路和系统内的其它电路。因为RS-232接口电路输入端的电压在5V到25V之间，使VCC有可能高于9V，超出电源电压的最大范围而烧坏电路。ESD保护电路最有效的保护措施是介质隔离：用绝缘介质把内部电路和外界隔离开。1mm厚的普通塑料如PVC，聚酯或ABS能够保护8KV的ESD。但是实际的介质不可能没有间隙和接缝，所以材料的蠕变和间隙距离非常重要。LCD显示屏，触摸屏等都有很厚的边角（12mm）隔离内部电路。

ESD保护的第二个方法是屏蔽，防止大的ESD电流冲击内部电路。ESD冲击金属屏蔽外壳时，最初几毫秒会比保护地电压高出许多，屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降，所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击，所以仅仅使用外部屏蔽还不够，内部电路与屏蔽外壳必须共地，或者把内部电路进行介质隔离。电气隔离也是抑制ESD冲击的一种有效方法，PCB板上安装光耦合器或者变压器，虽然不能完全消除ESD的冲击，但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击，光耦合器和变压器尤其适合电源部分。信号通路最好的隔离是光纤，无线和红外线方式。

在信号通路上使用的另一种保护方法是在每条信号线上外加阻容组件。串联电阻能够限制尖峰电流，并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压。这样做的成本低，但是防护能力有限。ESD的破坏力在一定程度上得到抑制，但依然存在。因为阻容组件并不能降低尖峰电压的峰值，仅仅是减少了电压上升的斜率。而且阻容组件还会引起信号失真，以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率。外接的电阻/电容也增加了电路板面积。另一种广泛使用的方法是外加电压瞬变抑制器或TransZorb二极管。这种防护非常有效。但仍有一些缺点：外加器件仍会增加电路板面积；防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容；成本较高。采用内部集成ESD防护功能的串行接口器件是一种有效的方法。这种器件比普通无防护功能的器件价格要高，但增加的费用比起外加防护二极管的费用要低。内部集成的ESD防护电路不会增加任何输入输出管脚的等效电容，也节省了电路板面积。Maxim公司近几年发展了集成ESD防护技术，可以提供全系列的ESD防护串行接口器件，包括与标准器件完全兼容的产品。Maxim公司还将同样的技术应用到仿真开关和开关去抖产品中。所有这些器件的ESD防护能力都符合±15kV IEC1000-4-2（气隙放电），±8kV IEC1000-4-2（接触放电），±15kV人体模型（HBM）测试标准。

Maxim公司的ESD保护技术欧洲共同体所规定的ESD保护有严格的测试标准：±15kV ESD人体模式测试标准；±8kV ESD IEC 1000-4-2接触放电模式测试标准；±15kV ESD IEC 1000-4-2空气间隙放电模式测试标准；±4kV ESD IEC 1000-4-4电气快速瞬变/猝发模式测试标准。其中，IEC 1000-4-2与±15kV人体模式测试标准之间的主要差别在于峰值电流；相同电压下，IEC 1000-4-2冲击的吸收电流要比人体模式高出5倍以上。±4kV ESD IEC 1000-4-4电气快速瞬变/猝发模式测试标准是仿真产生开关和继电器的电弧放电结果。MAXIM器件可提供±4kV的保护：两倍于IEC 1000-4-4标准的±2kV指针。