整機系統的ESD設計分析

靜電不能被消除，只能被控制。

控制ESD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，不論有多少靜電都不能到釋放到PCB上。

導；

有了ESD，迅速讓靜電導到PCB板的主GND上，可以消除一定能力的靜電。

對于金屬外殼接地的產品我來分析一下ESD問題；

先來分析金屬外殼的整機系統的ESD的設計；參考如下結構：

1、靜電釋放于機殼，由于沒有理想的接地，會在機殼上建立電壓V。

電壓的幅度與接地線阻抗、機殼與大地的電容、機殼與內部電路的電容有關。

dv/dt也主要與電容有關。

2、系統地與機殼地分離的電子產品，內部電路也不會設計成與機殼連通，所以干擾進入內部電路主要是耦合方式。通過耦合方式進入電子產品內部的情況，與機殼上建立的dv/dt，接地線上建立的di/dt有關，與機殼上建立的電壓絕對值不直接相關。這也是大機箱的電子設備不易受干擾干擾的原因，對地電容比較大，不易建立較大的dV/dt和di/dt。

建立電壓的絕對值與絕緣強度不夠造成間隙放電有關！

3、如果耦合是干擾的主要路徑，我們可以采取一些措施，措施可以是很多不同的方法。一般來說耦合路徑會比較多，有一些還不易察覺，直接采取阻斷耦合路徑的方法不易實現，除非通過結構分析、干擾分析發現了明確的結構問題或者路徑。拉開距離可以減小耦合電容，間隙襯墊聚四氟乙烯等材料也可以減小電容，從而減少耦合強度。

實際我有看到客戶的電子產品有這樣的問題：

A.內部電路有連接線走線時直接貼住機殼了，這就會存在設計結構的問題。

B.一根高阻抗的輸入線與一根本來沒有干擾的導線捆扎走線，而這個根本沒有干擾的導線有一段比較靠近機殼，這也會有耦合ESD的問題。

4、或多或少總有一部分干擾經耦合進入內部電路，是否能處理好這些耦合進來的干擾；系統接地是關鍵。

連續的、靠得住的系統接地，可以承載內部電路不受外部干擾，不管系統地是否實際接大地。參考上圖中的耦合路徑分析箭頭路徑分析。

在我進行ESD的內部結構電路的PCB分析時，我們可以看到在IO線端口見到電阻電容的設計，這些電容可以把耦合過來的干擾導入系統地。

當干擾源阻抗比較低時，同時信號允許的情況下，可以串電阻或者磁珠改善。

注意：對于高頻電路，電容對干擾和有用信號同時起作用，所以不能用于高頻信號電路。但使用TVS器件時（較小的結電容）電壓高于信號電壓，基本對有用信號沒有影響。

有必要說明一下：當信號電平為0時，從0電平開始干擾信號就需要消耗能量給電容充電，適當電容量可以吸收掉干擾能量，使干擾電平達不到邏輯動作電平，電子產品電路不受干擾。TVS在這個過程中基本不起作用，即便干擾電平已經達到邏輯動作電平。

很多時候由于干擾能量是吸收不完會穿過PCB，會通過CPU/MCU，如上圖中的箭頭所示路徑！

所以后面我再分析電子產品內部ESD的問題設計時知道：一方面我們要規劃干擾在PCB上的路徑（注意這是在布板PCB板時需要提前規劃）；另一方面要盡量控制干擾幅度。

5、空氣放電主要是空間的輻射成分，已沒有明確的路徑，對于容性耦合情況，受擾部位會有較大面積以及較近的距離，不太容易識別路徑，所以從敏感部位入手比較容易。

實際的ESD都是非常高電壓的空氣放電模式，空間放電于接縫、插座、按鍵等；

相對接觸放電，空氣放電干擾情況要復雜很多。

最常見的是金屬殼與按鍵、顯示屏的縫隙；也很容易出現顯示的故障！

在對金屬殼體做接觸放電通過的前提下，需要對這些縫隙做空氣放電，可能出現干擾情況如:顯示閃爍、誤讀按鍵、機器重啟復位等。

我們要首先排除放電火花直接進入電子產品或設備的情況，干擾過程相對簡單，我們可以尋找一下放電怎么會繞過殼體！

處理也簡單:縮小縫隙，內部電路控制好絕緣間距。

比較常見的是放電火花落在金屬殼體上出現干擾！

接觸與空氣放電于殼產生的干擾是不同的。

接觸放電于金屬殼體，產生比較大的di/dt，在結構件接地良好的情況下，僅有微弱的dv/dt?？諝夥烹娪诮饘贇んw，槍頭有較大dv/dt，槍前部高壓部分體積越大，這個dv/dt越強;這個dv/dt很可能超過接觸放電在接地不良金屬構件上產生的大的電壓V;

同時火花有較大的di/dt，也就是說有突變電場與磁場。突變電場以近場容性耦合的方式從絕緣構件部位耦合到內部電路，突變磁場以近場感性耦合方式穿透絕緣件進入內部電路。

我在進行電子產品整機ESD設計時通常建議分三步走：

（1）防止外部電荷流入電路板而產生瞬態耦合干擾;

（2）防止外部磁場對電路板產生瞬態耦合干擾;

（3）防止靜電場產生的瞬態耦合干擾。

在發生 ESD 問題時，解決方案有：

• 改進系統的接地設計(包括機箱機柜、控制面板、通信電纜連接)。
• 改進電路板的接地設計,對外接口 ESD 接地的設計。
• 發現系統死機、復位或通信錯誤的根本原因,在PCB 板進行相應信號處理和在軟件上進行處理, 也是解決 ESD 問題 的最好辦法,費用最低,但難度較大、較為耗時。

我再總結一下；對于電子產品/設備-整機級的堵和導

1、外殼和結構件：金屬以及可導電的電鍍材料等，屬于容易吸引和聚集靜電的材料；ESD要求很高的項目要盡可能避免使用這些材料。

2、必須使用導體材料時：結構上要事先預留有效而布局均勻的接地點；一般來說，頂針或者金屬彈片的接地效果優于導電泡棉和導電布。

3、無法做接地處理的例如電鍍側鍵等，需要重點在主板上做特別處理。包括：

（1）增加壓敏電阻、TVS或者電容等器件；

（2）預留GND管腳；

（3）板邊露銅吸引靜電放電；

4、外殼上的金屬件，距離器件和走線必須大于2.2mm以上距離。

5、堆疊上避免器件裸露于孔、縫邊；如果無法避免的話，則要在組裝上想辦法堵；常見的做法有粘貼高溫膠帶或者防靜電膠帶等阻隔；所有結構設計需要留有增加隔離片的空間。