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嘉峪檢測網 2025-03-16 20:02
靜電放電ESD的測試解析
1.1ESD靜電放電測試
ESD靜電放電測試通常根據IEC 61000-4-2進行。這個測試是確定外部的靜電放電或由ESD產生的感應場、二次放電，是否會對產品產生影響。可能放電部位包括任何可接觸的控制件、電纜連接器或其他可接觸的金屬件。
放電電壓為±4KV、±8KV或±15KV，具體數值取決于產品的使用環境或實際使用。對于這種測試，幾類性能判據可能是可接受的。性能判據的分類參考ESD標準IEC 61000-4-2，但受試產品的數據丟失、系統的重新啟動或損壞通常認為是測試不合格。
在通常的測試中，ESD施加在EUT的不同點上，同時觀察其性能是否發生變化。僅有導體會發生ESD，而對絕緣體或抗靜電材料則不會。如果存在裸露的金屬，那么對此金屬進行放電就會產生ESD。如果不能阻止ESD電流瞬態，那么就必須控制放電電流的路徑。
如果能搞清楚放電電流的路徑并對其進行改變，是一種更實際的解決辦法。如果已知ESD電流的注入點，那么確定電流離開產品的最可能的點將是很有幫助的。由于涉及高頻高達1GHz，放電電流的一些路徑可能是通過電容而不是沿著導線。
在進行ESD電流的可能路徑時，我們可以認為通過高頻時-電容是短路的，導線是開路的，這樣可以對電路的電流路徑進行簡化分析。
▲ 常見的ESD脈沖進入信號連接器的接地外殼 示意圖
如圖所示，常見的ESD進入點為I/O及信號連接器的外殼，比如USB、以太網或串口。除非這些連接器的外殼與產品的屏蔽殼體進行了很好的搭接，否則ESD電流將直接進入到PCB上，從而使電路受到干擾或損壞。
對于一些低成本的產品，由于沒有使用成本較高的屏蔽殼體，因此也會產生問題。在這種情況下，一個好的辦法是增加金屬轉移平面，這就將電流轉移到電源的安全地回路或通過對地電容泄放到大地，再讓電流路徑返回其源端。
1.2ESD靜電放電的故障原因分析
在大多數情況下，各項試驗的檢測和診斷方式大同小異比如輻射發射。對于高頻特性的ESD，這是因為從產品向外輻射的天線振子，比如電纜和外殼縫隙也能作為接收天線，將ESD產生的場傳入產品，潛在地引起干擾，甚至使系統重啟。
此外，如果I/O連接器沒有與金屬殼體進行好的搭接，由于電流盡力返回到產生它的源端。因此ESD電流能直接進入EUT，從而使電路受到干擾或損壞：
1、I/O連接器外殼和產品殼體之間的高阻抗搭接。
2、電纜屏蔽層和外殼或屏蔽殼體的搭接不好。
3、屏蔽面板與外殼或殼體之間的搭接不好。
4、顯示屏LED/LCD存在大的縫隙。
5、I/O電纜或電源線電纜上的濾波不充分或瞬態保護器件使用不當。
6、關鍵電路處射頻旁路不足，比如CPU的復位信號線。
因此，可以建立如下的等效電路工作模型：
▲ 等效電路工作模型
注意點：ESD能量從產品外殼泄放的過程中會形成靜電場干擾，既有傳導的路徑還有輻射的路徑；也因此會出現產品的失效情況。
1.3常見的失效模式
ESD靜電放電通常產生的問題如下：
1、系統重啟
2、模擬或數字電路出現故障
3、顯示屏上出現錯誤的數據及顯示屏顯示異常
4、數據丟失
5、數據傳輸停止、變慢或中斷
6、高誤碼率
7、產品的狀態發生改變
8、電路受到故障
靜電放電ESD的測試與整改
2.1常用的思路與方法
1、通常檢查電纜的屏蔽層與外殼或殼體是否搭接良好，理想情況下，它應與殼體的屏蔽層進行3600的搭接。
2、確保所有I/O連接器的外殼與EUT的殼體進行3600的搭接。
3、殼體和屏蔽層要互相搭接好。確定所有緊固件都緊固好。
4、確保機箱上搭接處的涂層不會產生阻抗，否則會引起交叉耦合能量和泄漏。
5、找到一個與連接器連接的電纜屏蔽層然后與電路板相連，這樣可用于泄放電流路徑。這時就會將ESD電荷引至電路板的信號返回平面。
如果這個電荷不受控制，就會出現問題。假如存在獨立的外殼平面，或者如果外殼平面的某一區域專門用作地平面，將是一個好的參考點。
6、孔縫、指示器，以及外殼上會形成開口和可能暴露電子器件的任何部件，都必須具有能對ESD進行泄流和安全轉移的導電路徑。
在理想情況下，所有的I/O端口及直流或交流電源，都應進行合適的濾波。這包括讓濾波器的位置盡可能地接近連接器。
對于I/O端口比如USB、以太網接口通常應使用為其設計的共模扼流圈，瞬態防護器件或濾波器可解決出現的任何問題。否則，I/O電纜或電源線電纜能將所產生的ESD電流完全傳輸進電路。
注意：當采用濾波器件旁路這種電流時，引線的長度將增加電感，從而降低濾波器件的有效性。從濾波器的電容器件到外殼的泄流路徑，應非常接近電容器件，泄流路徑阻抗要低甚至為平面以減小電感。
當ESD電流在PCB走線上流動時，他們能產生顯著的電場和磁場。這些電磁場能耦合進敏感電路，使其受到干擾。同時，由于導體的阻抗特性，這些電流能在平面上或PCB走線上建立電壓梯度。
如果電路或元器件以此平面作為參考且承受著從平面的一端到另外一端的電壓梯度，那么他們會受到干擾，這種效應有時被稱為地彈。
一旦ESD進入到電路板上，再要對其進行控制則是比較困難的。最佳的方法是確保所有元器件和電路的電位能隨著電壓脈沖同時上升和下降。
然而，由于這些脈沖具有非常高速的性質，因此在不同電路的PCB走線和平面上脈沖的時序可能不同。除此之外，PCB走線和導體的阻抗上也會產生電壓降，因此，讓所有元器件具有相同電壓上升幅度是無法實現的。
ESD產生的總功率和電流通常情況下是相當小的。濾波器通常可使用額定電壓為100V的標準電容器。TVS二極管可用于限制電路或平面之間產生的電壓。
當進行故障診斷時，先使用低的ESD電壓，比如500V或1000V。施加脈沖給任何孔縫，或者人可以觸摸到的裸露金屬。這就包括所有屏蔽的I/O連接器的導電外殼。
當產品沒有問題時，可以以500V的步進增加ESD模擬器的電壓直到規定的限值。通常好的做法是，讓測試電壓超過規定限值以確定裕量。
2.2故障診斷及優化方法
如果敏感點或故障點為連接器的外殼，這時推薦以下故障診斷及優化方法：
▲ 故障診斷及優化示意圖
1、確保其與金屬殼體進行了好的搭接。
2、檢查可能會在連接器外殼和產品外殼之間產生阻抗的涂層或噴涂。
3、確保連接器的外殼都是緊固的，各組件之間具有低阻抗的路徑。
4、確保產品外殼與保護地或ESD發生器的返回路徑進行了正確的連接。
如果懷疑是電纜把ESD電流耦合給了產品及電路，這時推薦的故障診斷方法：
1、盡可能在接近產品連接器的電纜上加裝鐵氧體共模扼流圈。
2、在任何可疑的輸入或輸出端口處設計簡單的低通RC濾波器，串聯電阻的典型值為47～100Ω，與信號或電源返回路徑之間的典型電容值為1～10nF。
3、I/O接口線上設計共模扼流圈。
4、數據線上設計TVS器件。TVS設計注意其選型設計規則和方法。
5、確保所有的殼體緊固件都是緊固的。
6、可使用銅帶密封可疑的縫隙。
7、在泄漏縫隙和內部電路電子元器件之間增加附加的隔離。
8、在泄漏縫隙和內部電路之間增加內部屏蔽體，并將其與外殼地進行直接連接。
如果ESD通過鍵盤和按鍵進入，這時推薦的方法：
1、在按鍵和鍵盤的PCB之間增加內部屏蔽體并將其與外殼地進行直接連接。
2、在結構上設計的ESD靜電放電的防護處理如下圖所示。
▲ 按鍵在結構上的ESD設計示意圖
靜電放電ESD的測試與整改（三）
3.1典型的解決方法
▲ ESD故障示意圖
很多方法都能阻止ESD電流脈沖或讓電流脈沖通過產品安全地返回系統將其轉移到大地。
串聯設計：比如鐵氧體磁珠、共模扼流圈和小阻值的串聯電阻器。可用于阻止或減小電流脈沖。
并聯設計：比如電容器件、反偏的二極管、火花隙或氣體放電裝置，當跨接在數據線上時，可將大部分的ESD電流轉移至外殼平面或安全地。
對于外殼平面，并不需要其是一個完整的平面，也不需要其位于底層或中間層上。使用外殼平面最有效的方法之一是，在所考慮的連接器的某一側的兩個電路板安裝點之間布置一條寬的PCB走線。
這條PCB走線應搭接到這些安裝點上。PCB走線應位于平面的頂層表面上且使其與連接器的插針保持安全距離。
對于所考慮的每個插針和每條PCB走線，應安裝合適的瞬態抑制器件，并且與外殼PCB走線之間的距離應非常短。這將會形成一條安全的和低阻抗的路徑以泄放掉ESD電荷。
在進行設計時將大部分的ESD電流轉移到大地，也不要影響數據線路的信號完整性。
1、在可疑電纜上加裝鐵氧體是最快的，通常也是最先想到的方法。一定要確保這些鐵氧體的位置放置盡可能地靠近產品的I/O連接器或電源連接器。
2、對于I/O線纜、信號線或電源線需要使用低通濾波器。好的設計是在信號線上串聯47Ω～100Ω的小電阻，同時在信號線與返回線或電源返回線之間使用1～10nF的電容。如果有可能，濾波器一定要使用最短的線纜。如果濾波器直接設計在PCB板上，高頻時推薦使用貼裝的器件。
3、確保外殼或殼體沒有產生泄漏。可能需要增加緊固件的數量。殼體也可能需要使用附加的射頻襯墊。
4、可能需要在呈現敏感的內部電路節點上跨接1～10nF的電容器件或RC濾波器。比如，連接任何CPU的復位輸入的電路。
5、對于內部PCB相連的所有I/O連接線和電源線，最終的解決辦法是設計瞬態電壓抑制器件TVS。PCB需要盡可能地在接近I/O連接器處與外殼進行好的射頻搭接。
6、對于非屏蔽殼體，增加一個金屬平板，所有I/O和電源連接器的外殼應與它的一面進行連接。
對于高速數據線，可以使用的兩種最佳技術為陶瓷ESD裝置和硅ESD裝置。陶瓷防護裝置的電容值非常小，大約為0.05pF、耐壓非常高且壽命長。
對于8KV的ESD脈沖，他們可將峰值電壓限制到300V，鉗位電壓為40V。硅ESD裝置的電容值稍大點，為0.25pF。其優點是具有非常快的開通時間，可將峰值電壓限制在50V以內，鉗位電壓為8～10V。
3.2特殊情況及問題分析
對于沒有金屬殼體的產品或EUT，ESD抗擾度的設計值得關注。其設計方法：可以在會導致任何元器件出現敏感ESD電流路徑上增加串聯阻抗，以及在想讓ESD電流離開產品的位置處增加低阻抗的轉移路徑。
1、最佳的方法是在所有I/O連接器上設計瞬態抑制器，它可以將電流脈沖轉移到PCB的外殼平面。
2、I/O線加裝共模扼流圈。
3、在電纜上非常靠近連接器處設計鐵氧體扼流圈能減小一部分電流脈沖。
4、在信號線到PCB外殼平面之間或信號線到安全地導線之間接并聯電容1nF/10nF，能有助于轉移ESD電流。
5、確保PCB周圍的ESD電流能被轉移的一種非常好的方法是，通過在PCB的下面增加金屬平板（或者是金屬背板）。這種金屬平板應與所有I/O連接器的導電后殼及外殼進行連接。ESD電流將能從金屬平板泄放到大地。
通過軟件設計也可能使產品對ESD產生固有的抗擾度：
1、不要使用無限的“等待”狀態。
2、在適當的情況下，使用“看門狗”程序讓EUT重啟。
3、使用校驗位、校驗或糾錯碼，以防止存儲損壞數據。
4、一定要確保所有的輸入為鎖存的和選通的；不能為浮點的。
3.3IC芯片產品ESD設計與優化
增加用于保護內部線路的ESD保護電路,使其可承受較大的電流。
▲ 如圖所示
在實際產品及設備上進行ESD測試與整改時的基本方法：
堵：從機構上做好靜電的防護，用絕緣的材料把PCB板密封在外殼內，不論有多少靜電都盡量不釋放到PCB板及內部電路。
導：有了ESD，迅速讓靜電能量導到PCB板地的低阻抗上，做好PCB設計可以消除一定能力的靜電放電電流。
3.4電路的設計采用堵和導的方法
1、MCU控制芯片的電源和地的濾波設計
2、接口電路的電源濾波及信號電路的R,C濾波
3、驅動器I/O發送和接收端的電阻R,阻容RC的反射及串擾控制
4、PCB的信號回流和電源與地回流面積的控制；
3.5在PCB板級的ESD防護設計技巧
A.規劃靜電電流泄放路徑，為靜電電流泄放提供安全可靠的低阻抗泄放通道；B.減小地電位差，為信號提供穩定的工作電壓與穩定的電平傳輸；C.控制好信號的環路面積減小寄生電感。
1、把干擾泄放到大地或者對地阻抗最小的點上；
2、減小干擾進入PCB內部電路的能量；
3、增加被干擾電路的高頻阻抗；
4、對敏感的器件或電路進行防護；
5、加強絕緣擊穿距離；
注意：當靜電放電ESD干擾信號通過耦合方式到達電路板內部的時候，如下圖所示：
注意：PCB的設計地走線，地回路，接地點的位置設計也是解決抗擾度ESD設計最關鍵的設計方法與思路。
目前行業內最典型的EMS敏感度的設計也都跟這個結構圖相關聯，產品問題的發生也是跟我們產品設計可靠性相關聯的。
靜電放電（ESD）問題在電子設備中較為常見，靜電放電整改案例的分析：
案例一：體外診斷設備靜電放電整改
某品牌體外診斷設備在靜電放電測試中，對顯示屏、面板按鍵及外殼縫隙處進行空氣放電±8 kV時，機器出現異常，按鍵失效，顯示屏顯示異常。分析發現，顯示屏接地線過長且外部透明絕緣膜較薄，防護效果差。整改方法是在顯示屏與外殼之間增加丙烯酸玻璃透明絕緣材料，縮短接地線長度。此外，顯示屏與控制電路之間的信號線較長且未處理，整改時將信號線折疊并固定在絕緣外殼處，遠離其他電路模塊及外殼縫隙。對于外殼縫隙，使用絕緣材料隔離臨近內部電路。在I/O接口和地之間并聯二極管并安裝對地電容，將靜電放電電流分流至大地。整改后，設備在±8 kV空氣放電復測中工作正常。
案例二：交換機復位電路靜電整改
某交換機在靜電防護能力優化后，其連接的顯示屏仍出現花屏、黑屏等現象，需人為重啟才能恢復正常。分析發現，主控芯片模塊復位電路上的電阻設置為0Ω，靜電測試時高壓峰值脈沖與靜電殘壓通過PCB路徑輻射，干擾復位引腳，導致設備重啟或異常。整改方法是增大串阻阻值，增強抗干擾能力。整改后，設備在±12 kV空氣放電和±8 kV接觸放電測試中均正常。
案例三：顯示器接口靜電放電整改
顯示器在靜電放電測試中，接口處易受干擾。整改方法是在HDMI、VGA、USB等接口的信號線上并聯TVS二極管，并在接口處增加小電容，形成低通濾波器，吸收和濾除高頻ESD脈沖。此外，使用導電橡膠墊確保按鍵按下時形成有效接地，并在按鍵線路上串聯小電阻，限制ESD電流。在電源輸入端使用共模扼流圈和X/Y電容，濾除通過電源線傳導的ESD脈沖。
案例四：藍牙音箱靜電放電整改
某藍牙音箱在對AUX端口進行8 kV空氣放電測試時，出現聲音異常且無法正常關機的現象。分析發現，AUX端口內部金屬引腳延伸較長，且直接與IC引腳相連，靜電可通過金屬引腳干擾IC引腳。整改方法是在引腳對地并聯ASIMESD（型號：CV0402VT6201T），整改后設備在空氣放電測試中未出現異常。
案例五：手持式設備靜電放電整改
某款外殼為塑膠的手持式設備在ESD測試中，對其后面板接口中的電源、音頻接口的地進行接觸放電時，設備發生死機現象。原因是靜電電流流入設備主控板，接口板無法直接泄放靜電電荷到地。整改措施是在機殼內部噴涂導電漆，并使接口電路板的地線與外殼的導電漆相連接。但后續抽驗中發現，部分產品因導電漆阻抗不同導致靜電測試無法通過。最終，在接口板和主控板的排線上使用鐵氧體環，抑制流入的靜電騷擾電流，并增加排線上的高頻阻抗。整改后，設備的靜電放電抗擾度有較大提升。
案例六：醫療器械靜電放電整改
某醫療器械在靜電放電測試中，對設備外殼進行接觸放電時，設備出現死機現象。分析發現，設備外殼未進行有效接地，靜電電荷無法快速泄放。整改措施是在設備外殼與地之間增加接地線，并在電源輸入端增加共模扼流圈和濾波電容，減少ESD通過電源線傳導的可能性。整改后，設備在靜電放電測試中能夠正常工作。
案例七：電子設備電源線靜電放電整改
某電子設備在靜電放電測試中，電源線接口處易受干擾。整改方法是在電源輸入端使用隔離變壓器，將電源部分與信號部分隔離開，減少ESD通過電源傳導的可能性。同時，在電源線接口處增加共模扼流圈和X/Y電容，濾除通過電源線傳導的ESD脈沖。整改后，設備在靜電放電測試中電源線接口處的抗干擾能力顯著提升。
來源：電子產品物聯戰略及電磁
