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静电放电 (ESD)
来自认证百科
| 上升时间 ($t_r$) | 0.7 至 1.0 纳秒 (ns) |
|---|---|
| 脉冲持续时间 | 约 60 纳秒 (ns) |
| 接触放电电压 | 典型 2kV, 4kV, 6kV, 8kV |
| 空气放电电压 | 典型 2kV, 4kV, 8kV, 15kV |
| 等效人体模型 | $150 \text{ pF} / 330 \ \Omega$ |
静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触时引起的电荷转移。在数字电路中，静电放电产生的高压瞬态电流会通过传导（电流路径）或辐射（瞬态电磁场）的方式，导致 IC 锁死（Latch-up）、复位、数据丢失甚至物理击穿。
1. 核心测试标准：IEC 61000-4-2
电子产品整机进行 ESD 依规测试时，国际上普遍采用的基础标准是 IEC 61000-4-2（对应国内标准 GB/T 17626.2）。
放电方式
- 接触放电 (Contact Discharge)：放电枪尖端直接接触被测设备的导电金属表面。这是首选的测试方式，其重复性最好。
- 空气放电 (Air Discharge)：放电枪的圆头探针逐步靠近被测设备的绝缘表面（如塑料外壳、缝隙），直到发生火花放电。
测试等级与电压
根据产品应用环境的不同，测试强度分为四个常规等级（系统级 ESD）：
| 等级 (Level) | 接触放电电压 | 空气放电电压 | 典型应用环境 |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 kV | 2 kV | 受控干燥环境 |
| 2 | 4 kV | 4 kV | 通用办公环境 |
| 3 | 6 kV | 8 kV | 恶劣工业环境 |
| 4 | 8 kV | 15 kV | 极端环境 / 医疗及车载特殊要求 |
2. ESD 的两种危害机制
- 传导耦合（直接危害）：静电直接放电到金属接口（如 USB 壳体、按键金属弹片），数安培的尖峰电流沿着地线或信号线直接涌入单片机/CPU 引脚，瞬间烧毁内部 PN 结。
- 辐射耦合（间接危害）：静电放电时剧烈的电流变化（$\text{d}i/\text{d}t$ 极大）会在空间激发出强烈的瞬态电磁场。这个电磁场会被附近的 PCB 高阻抗走线（如 Reset 线、I2C 信号线）像天线一样接收，产生感应电动势，从而导致芯片产生误动作。
3. 经典 ESD 防护整改策略
曾工团队在面对 ESD 失败案例时，通常遵循“**屏蔽阻隔、窗口泄放、滤波吸收**”的十二字方针：
① 窗口泄放（元器件层级）
在可能遭受静电袭击的接口（如 USB, HDMI, Type-C, 按键, 传感器输入口）最前端，贴近连接器焊盘放置低电容的 TVS 二极管 或 静电保护阵列 (ESD Array)。
- 当静电高压到来时，TVS 瞬间反向击穿，将高压钳位到安全电压，并将绝大部分电流泄放到保护地（PGND）或系统地（GND）。
② 滤波吸收（电路层级）
- 在敏感信号线（如 Reset, 中断触发线）上增加阻容滤波（RC 滤波器）。一个 $100 \ \Omega$ 的电阻配合 $100 \text{ pF}$ 的电容，可以有效地将高频静电脉冲的尖峰滤除。
- 使用高频磁珠来增加静电路径的高频阻抗，迫使其向 TVS 泄放通道流动。
③ 结构与 PCB 布局（系统层级）
- 外壳绝缘**：如果使用塑料外壳，确保缝隙、孔洞到内部 PCB 元器件的空气间距足够大（例如 15kV 空气放电通常需要保持至少 7mm 以上的爬电距离），让静电“打不进来”。
- 外壳屏蔽地（壳体地）：如果使用金属外壳，外壳应形成连续的法拉第笼，并在主电源入口处与 PCB 系统的地进行单点或低阻抗的多点搭接。
- 避免环路面积：PCB 布线时，信号线与对应的回流地线应紧密耦合，尽量减小信号环路面积，以降低间接辐射耦合的敏感度。
4. 测试中的产品性能判据 (Performance Criteria)
在符合性测试中，根据 DoC 技术文件 的定义，ESD 测试结果通常按以下标准评估：
- A 级：测试期间及测试后，产品各项功能完全正常，用户无察觉。
- B 级：测试期间产品出现短暂功能掉线或屏幕闪烁，但能**自动恢复**，无需人工干预。
- C 级：测试中产品死机、掉电或重启，需要用户手动开关机或复位才能恢复。
- D 级：产品硬件损坏（芯片烧毁），属于不合格。
