ESD的干扰模式有哪几种？ESD干扰机理分析

1. ESD的干扰模式

ESD以共模干扰方式对控制器进行干扰，主要有以下几种形式：

• ESD放电中形成的场耦合，一般发生在接地点良好，但接地位置附近有敏感信号或走线的情况：
• ESD放电电流在接地阻抗路径中形成噪声电压Vnoise干扰敏感设备，一般发生在接地不良，接地阻抗较大的情况；
• ESD放电电流直接注入敏感信号中，一般发生在对pin进行ESD注入实验的情况。

2. 结构地分析

控制器盖板接地的结构层次：盖板紧固弹簧螺钉→金属螺柱→金属条→接地固定螺钉→机壳地。PCB过孔无接地铜盘，与金属条和机壳均无搭接。金属条与机壳的搭接仅仅通过螺纹进行，搭接不可靠，阻抗大，结构接地详见图5所示。

盖板接地点实物图

盖板接地结构示意图

3. 干扰路径与等效机理电路分析

（1）盖板与机壳地间的接地良好工况

当盖板与机壳地间的接地良好时，阻抗足够低，与机壳形成等电位搭接，无压差。

ESD的主要放电路径为图6中的①和②，因①的接地物理路径较近，大部分干扰会从①路径中流到大地。流过路径①附近的电流形成的干扰场，会串扰周围的敏感信号或敏感走线。

图6 ESD放电路径示意图

（2）盖板与机壳地间的接地不良工况

当盖板与机壳地间的接地搭接较差时（搭接阻抗较大），ESD放电电流会在搭接点处形成噪声电压Vnoise。

噪声电压通过盖板与PCB板件的分布电容，形成干扰电流流过PCB，使得敏感干信号受干扰，参见图7所示。

图7接地不良的ESD耦合机理示意图

4. 干扰噪声估算

通过接地阻抗测定与接地点变更ESD实验结果，结合ESD的干扰机理，可以确定控制器为ESD放电电流在接地阻抗路径中形成噪声电压Vnoise ，干扰了内部敏感信号。

（1）PCB与结构件间的分布电容估算

PCB板与盖板间的分布电容可用以下公式进行估算：

（2）盖板与机壳间搭接处的噪声电压估算

6KV接触放电的放电电流峰值实测约为24A左右，接触阻抗为0.3欧姆，电压约为7.2V。

注：盖板与机壳间的搭接阻抗为万用表测试结果，实际的ESD频段的搭接阻抗值要大于0.3Ω，本文暂以0.3Ω为例进行计算说明.

（3）流过背板的电流

I1=C2πfU=33pF*2*3.14*1.2GHz*7.2=0.25A。

注：为方便计算，ESD频段扩展到1.2GHz。

（4）流经背板PCB参考地平面的噪声电压

Vnoise=I1*Z=0.25A*3mΩ=0.75mV；

注：PCB的铺地平面阻抗一般为mΩ级别，结合背板的过孔数量，估算PCB铺地平面阻抗为3mΩ。

（5）流经背板PCB表层走线的噪声电压

I2= C2πfU=3pF23.141.2GHz7.2=0.025A（流过通讯指示灯走线的电流）

Vnoise=L*di/dt=300nH*0.025A/(0.8ns)=9.4V。

注：背板表层通讯指示灯为最长走线，长度为20cm左右，走线宽度为10mil，电感量为300nH左右。指示灯走线与盖板间的分布电容约为3pf。

5. 思考与启示

• ESD干扰以共模形式串入PCB线路或通过空间场耦合干扰敏感信号，需要解耦分析；
• 对于接地点可靠性的排查，可通过人为改变接地位置进行故障问题的分析；
• ESD抑制的一大手法是接地，要确保放电点与机壳地搭接的可靠性，保证搭接阻抗在ESD频段范围内足够小，不足以形成干扰电压；
• PCB敏感信号或与敏感信号相关的信号线，避免在表层长距离走线而引起的干扰，无法避免时，注意信号换板连接器附近的滤波处理；
• ESD敏感信号在设计前期需要进行ESD干扰评估，特别是噪声等级的评估，有利于抑制器件的选型，同时在PCB板进行干扰风险规避是成本最低，效果最好的方法；
• ESD的抑制手段多样化，除了接地对ESD干扰进行泄放外，还可通过滤波、屏蔽、瞬态抑制、隔离、放电敏感距离控制、采用绝缘类材料阻断放电等等手段进行抑制，结合设计需求落地；