静电放电

静电放电 (ESD)

外文名	Electrostatic Discharge
典型电压	2kV - 15kV (系统级)
核心标准	IEC 61000-4-2 / GB/T 17626.2
物理模型	HBM, MM, CDM, CDE
防护核心	泄放、箝位、隔离

静电放电（Electrostatic Discharge，简称 ESD）是指具有不同静电电位的两个物体相互靠近或直接接触时引起的电荷转移。在电子工程领域，ESD 是一种典型的瞬态高压、宽频带电磁骚扰，常导致半导体器件击穿或系统复位。

ESD 的物理特性

ESD 具有以下显著特点：

• 高电压、短时间： 电压可达数千伏，但放电电流的上升时间通常小于 $1\text{ns}$。
• 宽频带： 由于上升沿极快（时间变化量 $dt$ 极小），能量在频域上覆盖了从低频到数 $\text{GHz}$ 的范围。
• 耦合方式：
  • 传导耦合： 电荷直接通过连接器或金属外壳进入电路。
  • 辐射耦合： 放电瞬间产生的强烈瞬变电磁场感应。

ESD 物理模型

为了评估电子设备在不同场景下的抗扰度，工程师定义了以下四种主要的等效电路模型：

1. 人体模型 (Human Body Model, HBM)

模拟带电的人体通过手指触摸设备时的放电。

• 系统级 (IEC 61000-4-2)： $C_s=150\text{pF}$，$R_d=330\Omega$。这是整机过认证的强制标准。
• 芯片级 (JEDEC)： $C_s=100\text{pF}$，$R_d=1.5\text{k}\Omega$。

2. 机器模型 (Machine Model, MM)

模拟带电的金属工具或机械臂对器件的放电。

• 参数： $C_s=200\text{pF}$，$R_d\approx 0\Omega$。波形呈现大幅度的衰减正弦振荡。

3. 带电器件模型 (Charged Device Model, CDM)

模拟器件自身摩擦带电后，管脚接触接地物发生的放电。

• 特点： 上升时间极短（常小于 $200\text{ps}$），是半导体生产线损坏芯片的主要元凶。

4. 电缆放电模型 (Cable Discharge Event, CDE)

模拟长电缆（如网线）积聚电荷后在拔插瞬间产生的放电，能量远超 HBM 模型。

国际标准测试方法

根据 IEC 61000-4-2，测试通常分为：

• 接触放电 (Contact Discharge)： 枪头接触被测物，重复性好，首选方法。
• 空气放电 (Air Discharge)： 枪头靠近击穿，用于非金属表面。

工程师视角下的防护策略

针对 ESD 的防护遵循“分级分层”和“就近泄放”原则：

1. 结构级防护

• 金属外壳： 良好的屏蔽与接地，将电荷导向大地。
• 绝缘设计： 增加爬电距离，防止电弧击穿。

2. 电路级防护 (PCB 级)

• 箝位器件： 在接口处放置 **TVS 二极管**，将瞬态高压箝位在安全水平。
• 阻容滤波： 在敏感引脚增加小电容或磁珠，吸收高频能量。
• 布局优化：
  • 确保防护器件位于被保护信号的必经之路上。
  • 最小化环路面积以降低感应电动势。
  • 建立低阻抗的静电泄放路径，避免干扰电流流经敏感芯片下方。

参见

• 电磁兼容
• 时域
• 频域
• 信号完整性
• 运算放大器