关于ESD原理及防护知识

1、何谓ESD

ESD（Electrostatic Discharge）俗称静电放电，是电磁兼容标准EMC的管控内容之一。ESD的本质是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果。

其显著特点是：① 高电位 ——最高达数万伏以至数十万伏；② 作用时间短。

2、ESD产生机理    

静电：处于不同带电序列位置（介电系数不同）的物体之间接触分离，使物体正负电荷失去平衡而发生的现象。

静电放电：静电源与其他物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场à这个过程就是ESD。

3、ESD的危害

大多数ESD损害发生在人的感觉范围以下。人对静电放电的感知电压是3KV，而很多电子元件在几百伏甚至几十伏就会损坏。

1）静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻，缩短寿命。

2）静电放电破坏，使元件受损（完全破坏）

3）静电使元件潜在损伤（半击穿）

4、ESD放电模型

1）人体模型（Human Body Model，HBM）

带电人体碰触器件时，人体上的静电便会经碰触的脚位进入器件内，若器件有一端接地而形成放电路径时，便会发生放电。此放电过程在数百ns时间内产生数安培的瞬间放电电流，进而将器件内的电路烧毁。

对一般元件可承受的HBM 2KV来说，在2~10ns时间内，瞬间电流峰值可达1.33A。

2）机器模型（Machine Model，MM）

敏感器件在组装过程中会涉及很多金属夹具，当这些金属带上静电并靠近组件时，会发生快速放电。特点为低压高流，会直接烧毁组件本身。一般机器设备的电容远大于人体，可以储存更多的电荷，造成放电速度很快，电流比较HBM大数倍。

3）充电器件模型（Charged Device Model，CDM）

器件因摩擦或感应等因素其内部积累了静电，但在静电慢慢积累的过程中并未损伤。当器件任一脚碰触到接地导体时，器件内部的静电发生放电现象。

这种放电过程很短，约几十纳秒。这种静电模型其等效电容值和器件封装类型相关，所以放电现象很难模拟。

5、ESD失效机理

5.1 过电压场失效（绝缘击穿）

发生于MOS器件（包括MOS电容）和固体胆电容，电极间电场超过其临界场强。

5.2过电流失效（热失效）

多发生于双极型器件，PN结二极管、肖特基二极管等。温度越高，越容易发生此失效。

实际元器件发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝缘程度。

1）若放电回路阻抗较低，绝缘性差，元器件往往会因放电期间产生过流导致高温损伤à过电流失效。

2）若放电回路阻抗较高，绝缘性好，元器件往往发生高电压损伤à过电压损伤。

6、ESD防护（针对作业及包装环境）

1）静电源接地à静电带及工作表面接地。

2）静电屏蔽à静电屏蔽袋。

3）离子中和à离子风机、离子气枪。

7、ESD防护实际应用电路

利用TVS二极管的特性来保护电路免受ESD的冲击。

TVS全称是瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor），是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

典型应用电路解析：

此电路为双向ESD防护，USB排插处进行拔插时可能会产生正负方向的ESD，而此电路能将这两种情况下的静电释放掉。

1） 当USB+有正向大的（比如+8KV）ESD产生时，下位的TVS二极管将从高阻态变为低阻态，ESD将会从地端释放掉。

2） 当USB+有负向大的（比如-8KV）ESD产生时，上位的TVS二极管将从高阻态变为低阻态，ESD将会经过VCC端回流到地端释放掉。

8、ESD器件（TVS）选型步骤

1）计算接口信号幅值的范围来确定ESD器件的工作电压。

2）根据信号类型决定使用单向或双向ESD器件。

3）根据信号速率决定该接口能承受的最大寄生电容。

4）根据电路系统的最大承受电压冲击，选择合适的钳位电压。

5）确保ESD器件可达到或超过IEC 61000-4-2 LEVEL 4。