如何采取預(yù)防措施來(lái)防止或盡量減少因 ESD 事件造成的損害

我敢肯定，我們都至少失去了一塊心愛(ài)的電路板，因?yàn)楣こ處煹淖類?ài)——ESD。因意外 ESD 撞擊而損壞的電子元件和電路板每年會(huì)造成數(shù)百萬(wàn)美元的損失。作為工程師，我們應(yīng)該采取一切預(yù)防措施來(lái)防止或盡量減少因 ESD 事件造成的損害?？紤]到當(dāng)今環(huán)境中存在如此多的變量，創(chuàng)建穩(wěn)健的 ESD 設(shè)計(jì)似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。然而，我們可以做很多簡(jiǎn)單的事情來(lái)將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。在深入探討 ESD 安全的“注意事項(xiàng)”之前，讓我們看看是否可以揭開(kāi) ESD 測(cè)試相關(guān)術(shù)語(yǔ)的神秘面紗。

靜電放電(ESD)是在兩個(gè)帶電物體之間由接觸、短路或電介質(zhì)擊穿引起的突發(fā)電流。摩擦或靜電感應(yīng)會(huì)引起靜電累積。當(dāng)兩個(gè)具有不同靜電電位的物體靠近或當(dāng)它們之間發(fā)生介電擊穿時(shí)，就會(huì)引起ESD，通常會(huì)產(chǎn)生看得見(jiàn)的火花。ESD可以產(chǎn)生壯觀的電火花。閃電及打雷便是較大規(guī)模的ESD事件，還有一些ESD事件，看不見(jiàn)，聽(tīng)不著，咋一看不是那么驚天動(dòng)地，但仍足以對(duì)靈敏的電子設(shè)備造成損害。ESD是非常棘手的事情。你可能認(rèn)為保護(hù)接地金屬柜內(nèi)的電子設(shè)備并不太難，遺憾的是它比你想象的要復(fù)雜得多。

靜電荷定義為靜止時(shí)的不平衡電荷。這是由兩個(gè)相互接觸的絕緣體產(chǎn)生的，其中一個(gè)獲得電子，另一個(gè)失去電子。如果這種累積的靜電荷從一個(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面，則可能會(huì)產(chǎn)生非常大的破壞性電壓。例如，走過(guò)地毯會(huì)產(chǎn)生 2-4kV 范圍內(nèi)的靜電荷。金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 器件尤其處于危險(xiǎn)之中，因?yàn)樗鼈兊慕^緣層甚至?xí)艿降椭?50V 的放電的影響。

在為 ESD 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)電路板 (PCB) 時(shí)，需要牢記以下幾點(diǎn)：

(1) BOM 上每個(gè)組件的 ESD 等級(jí)，有時(shí)也稱為設(shè)備級(jí) ESD

(2)板級(jí)、PCB級(jí)或系統(tǒng)級(jí)ESD

(3) 電路板的使用環(huán)境

設(shè)備或組件級(jí)別額定值通常由以下常用模型定義：

(1) 人體模型 (HBM)：此評(píng)級(jí)模擬由于人接觸組件而發(fā)生的 ESD 沖擊。這也是最常用的模型。

(2) 充電設(shè)備模型 (CDM)：該模型模擬制造和生產(chǎn)過(guò)程中的 ESD 沖擊，例如使用貼片機(jī)或裝配線。

(3) 機(jī)器模型 (MM)：此額定值模擬機(jī)器通過(guò)被測(cè)組件或設(shè)備 (DUT) 對(duì)地放電。

組件級(jí) ESD 額定值主要用于確定設(shè)備的生產(chǎn)處理、制造、交付等過(guò)程中的安全標(biāo)準(zhǔn)。這些額定值被定義為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值，組件制造商的數(shù)據(jù)表可能包含針對(duì)特定型號(hào)的每個(gè)型號(hào)的電壓列表零件。

來(lái)自SM74611智能旁路二極管數(shù)據(jù)表的器件級(jí) ESD 額定值的屏幕截圖

您的設(shè)計(jì)在“應(yīng)用中”的安全程度只能通過(guò)運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試來(lái)確定，即在整個(gè)應(yīng)用 PCB 上進(jìn)行測(cè)試。器件和系統(tǒng)級(jí) ESD 測(cè)試在電壓水平(峰值)、瞬態(tài)特性、耦合方法以及測(cè)試方式(空氣或接觸放電)方面可能有所不同。系統(tǒng)級(jí) ESD 測(cè)試最常用的標(biāo)準(zhǔn)是電磁兼容性 - IEC61000 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)有許多不同的子分類，其中 IEC61000-4-2 最常用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，例如手機(jī)、平板電腦等。測(cè)試您的應(yīng)用程序是否可以通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)將涉及構(gòu)建原型并提交到專門從事 IEC 合規(guī)性的測(cè)試機(jī)構(gòu)，或使用符合標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試臺(tái)和程序在內(nèi)部自行測(cè)試。

ESD 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的第三個(gè)方面涉及將部署應(yīng)用程序的環(huán)境?；诃h(huán)境的影響的一些示例：

(1) 應(yīng)用程序是否會(huì)完全封閉在切斷所有訪問(wèn)的非導(dǎo)電外殼中?如果是，那么直接接觸擊針的可能性非常低，因?yàn)樵撓到y(tǒng)完全由絕緣體封閉。

(2) 手機(jī)或筆記本電腦等消費(fèi)類設(shè)備通常很容易遭受罷工，因?yàn)檫@些設(shè)備的功能基于用戶輸入。在電話中，ESD 可以通過(guò)按鈕或連接到電話的輔助電纜耦合。

(3) 在許多提供 USB 端口的設(shè)備中，這是一個(gè)典型的“ESD 沖擊熱點(diǎn)”，因?yàn)橛脩裘刻煲啻尾灏坞娎|。