眾所周知，工業(yè)產(chǎn)品所應(yīng)用的電磁環(huán)境之惡劣。要想產(chǎn)品在如此惡劣的電磁環(huán)境下正常工作，需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力方能勝任。其中以靜電干擾最為常見且棘手。本文將手把手教你如何將工業(yè)產(chǎn)品做到可靠的防靜電設(shè)計(jì)。

1.了解靜電

你想要打倒對(duì)手，必須先深入地了解他，才能有的放矢。什么是靜電放電？相信大家都有著深刻且痛的領(lǐng)悟：冬天懶懶地從椅子上起身給開門，在你的手與金屬門把手即將親密接觸那一刻，一股精神倍爽的刺痛感自手指神經(jīng)未梢迅速傳至慵懶的大腦皮層，讓你情不自禁的“啊”出來。讓你產(chǎn)生刺痛感的，便是靜電放電（ESD）在搞的鬼！

生活中和電子產(chǎn)品所承受的靜電放電，主要來自于摩擦起電。任何兩個(gè)物質(zhì)摩擦都會(huì)產(chǎn)生靜電，只是起電量大小不同而已，得電子的帶負(fù)電，失電子的帶正電。這個(gè)是小學(xué)三年級(jí)都會(huì)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)。但也就是這在小學(xué)就學(xué)過的小小靜電放電，卻成為不少電子工程師心中揮之不去的夢(mèng)魘。

2.靜電放電為何會(huì)影響電子產(chǎn)品正常工作

科學(xué)家們根據(jù)物質(zhì)相互摩擦后得失電子的能力，排序整理出了一份摩擦生產(chǎn)序列表。這里由正到負(fù)列舉部分材料序列：兔皮、玻璃、絲綢、鋁片、琥珀、滌綸、硅……。這些生活中常見的材料包含了導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。兩種絕緣體物質(zhì)摩擦生電后，因絕緣體內(nèi)電子不能自由移動(dòng)，得到的電子將集聚在帶負(fù)電物質(zhì)表面，形成強(qiáng)靜電場(chǎng)，其持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)或幾天。當(dāng)外界其它物質(zhì)靠近帶電物質(zhì)時(shí)，則可以形成強(qiáng)烈的ESD現(xiàn)象。

ESD有兩種典型的模型：人體模型HBM和機(jī)械模型MM。人體模型用于表示帶電人體放電時(shí)與器件或物體的相互作用。機(jī)械模型表示帶電導(dǎo)體源放電與器件或物體的相互作用。以下將最為常見及基本的人體模型來說明ESD是如何影響電子產(chǎn)品正常工作。

ESD對(duì)電子產(chǎn)品的影響主要體現(xiàn)在兩方面：過電應(yīng)力EOS和電磁干擾EMI。在日常生活中因摩擦可使人體帶上幾千甚至上萬伏的靜電，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.2《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定的接觸放電試驗(yàn)電壓為±8kV，空氣放電試驗(yàn)電壓為±15kV。ESD的高電壓大電流會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)，甚至直接將多數(shù)半導(dǎo)體器件損壞。另外其放電波形如下圖示，ESD放電脈沖上升沿的時(shí)間非常短，只有0.7~1ns。這將形成強(qiáng)烈的電磁輻射干擾，帶寬可達(dá)400MHz以上，通過傳導(dǎo)和空間輻射的方式對(duì)系統(tǒng)中的敏感信號(hào)造成干擾。

3.工業(yè)產(chǎn)品防靜電設(shè)計(jì)

老生常談，產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前必須了解設(shè)計(jì)需求：工業(yè)產(chǎn)品在無產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，需要滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17799.2-2003《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)》，靜電抗擾度試驗(yàn)接觸放電±8kV，空氣放電±15kV。

3.1.原理圖設(shè)計(jì)

首先是芯片及核心板方案選型，有一顆強(qiáng)大的心臟才能支撐強(qiáng)健四肢去完成高難度的任務(wù)。

其次接口電路增加ESD保護(hù)設(shè)計(jì)，滿足先保護(hù)后濾波原則。根據(jù)不同接口電路的信號(hào)特性，選擇不同ESD保護(hù)器件。比如高速信號(hào)接口，需選擇寄生電容小的器件，否則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真，導(dǎo)致通信失敗。

再者各電源電路必須增加大小規(guī)格的去耦電容，進(jìn)行寬頻帶的濾波設(shè)計(jì)。比如常見的：10uF+1nF組合。

最后針對(duì)一些特殊的敏感信號(hào)線增加ESD保護(hù)和濾波設(shè)計(jì)，比如復(fù)位、AD采樣、時(shí)鐘等信號(hào)線。

3.2.PCB設(shè)計(jì)

靜電放電主要是以傳導(dǎo)和空間輻射的方式在板級(jí)進(jìn)行干擾，因此PCB設(shè)計(jì)的核心思想是信號(hào)完整性和減小信號(hào)環(huán)路面積。故PCB的防靜電設(shè)計(jì)需要滿足的幾個(gè)重要原則：

電源、地平面盡量完整；

信號(hào)走線盡量等寬、等距、等長(zhǎng)；

過孔數(shù)量盡量少；

不跨分隔區(qū)走線；

盡量單點(diǎn)接地走線；

信號(hào)環(huán)路面積盡量小；

接口和芯片濾波和保護(hù)器件盡量靠近接口和芯片放置；

3.3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)上防靜電有屏蔽與接地兩大方法。

屏蔽可從整機(jī)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)，但這樣設(shè)計(jì)成本較高，產(chǎn)品體積較大，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。除非是原本就是金屬結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，利用原有金屬結(jié)構(gòu)來做屏蔽效果。若是絕緣材料外殼產(chǎn)品，則需要在外殼內(nèi)壁做噴涂導(dǎo)電漆。噴涂導(dǎo)電漆雖然是一種有效的屏蔽措施，但其生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，一致性控制難度大。整機(jī)設(shè)備中往往會(huì)存在不少死角的區(qū)域，讓噴涂導(dǎo)電漆工序難上加難。另外可針對(duì)單獨(dú)敏感電路模塊增加屏蔽殼，最為典型的便是手機(jī)屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)的接地設(shè)計(jì)需要考慮如何將靜電能量以最快的速度泄放掉。這就必須滿足接地良好，接地阻抗越小越好。特別是需要進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)的區(qū)域，接地連續(xù)性要得到保證。在此要特別注意的一點(diǎn)是，作為靜電泄放的接地線不要從敏感信號(hào)或模塊上方經(jīng)過，否則靜電泄放瞬間大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)這些電路造成干擾，引起不必要的麻煩。