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靜電問題是一直困擾電子產(chǎn)品的問題，靜電放電導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障，失效是公認(rèn)的事實。EMC測試中靜電測試是許多產(chǎn)品難以通過的項目之一。靜電放電可以通過傳導(dǎo)和輻射兩種方式對電子元件產(chǎn)生干擾，最終影響系統(tǒng)工作。電子產(chǎn)品的ESD防護(hù)設(shè)計必須被廣泛重視！
靜電放電主要是能量集中放電，比如人體的電容放電，放電時間在200pS到10nS,放電過程能產(chǎn)生高頻電磁波，放電能量可以直接導(dǎo)致電路損壞或者數(shù)據(jù)紊亂。Mountain View Silicon 的系列解碼IC屬于1級靜電放電敏感元器件，抗靜電能力為2KV.
我們來分析一下靜電損壞IC的路徑：
1.當(dāng)IC遭遇靜電放電時，放電回路的電阻通常非常小，接近為零，造成比較大的瞬間尖峰電流流過IC管腳，引起局部發(fā)熱或熔化硅管，以及Die內(nèi)部金屬連接被燒斷，鈍化層被破壞。
2.靜電放電引起CMOS器件閂鎖，高壓激活CMOS器件內(nèi)部類似可控硅的結(jié)構(gòu)，例如常見的VCC到GND導(dǎo)通形成大電流燒毀。
偶爾靜電能量較低，ESD僅僅導(dǎo)致PN結(jié)損傷，降低了器件的可靠性，給電路留下隱患。
靜電放電有3個條件，即：一定能量的靜電荷，一定的距離，放電導(dǎo)體。所以針對ESD問題通常我們采取隔離和加保護(hù)電路的措施，下面結(jié)合一些實例講解實用措施：
1.隔離，切斷傳輸路徑。 經(jīng)驗認(rèn)為，每千伏的靜電電壓擊穿距離在1mm左右，因此PCB器件，走線離開易放電的邊緣8－10mm就可以抵抗8KV左右的靜電電壓，最關(guān)鍵的ESD敏感器件一定要布局在板子中央。下圖是我07年開發(fā)的一款數(shù)字綜合吉他效果器，音色醇美，一次性通過CE認(rèn)證。
2.IC關(guān)鍵管腳加保護(hù)器件。 有時我們會發(fā)現(xiàn)ESD敏感器件的某個管腳容易被靜電擊穿，通常的做法是在靠近此器件相應(yīng)管腳處安裝TVS管。
退而求其次，如果受成本限制，可以考慮用合適的穩(wěn)壓二極管替代TVS管，同樣是利用二極管的雪崩效應(yīng)和鉗位特性，保護(hù)相應(yīng)的ESD敏感管腳.曾經(jīng)在一個TI的工業(yè)控制DSP方案上有應(yīng)用，效果還不錯。
3.IC的GPIO口串聯(lián)衰減電阻。 通常情況GPIO串聯(lián)合適的小電阻是為了衰減高速信號上的高頻能量，減少高頻輻射，這點在EMC設(shè)計上應(yīng)用非常普遍。當(dāng)GPIO遭遇靜電放電時，線路上串聯(lián)的電阻也能衰減放電電流，對GPIO起一定保護(hù)作用。通常衰減電阻的值在1K以內(nèi)，電阻值的大小選擇以不影響高速信號正常傳輸為基礎(chǔ)。
4.合理的接口防護(hù)。 系統(tǒng)板級設(shè)計中板子上均有信號進(jìn)出的接口，例如:排線，USB接口，音視頻接口。接口位置通常也是靜電導(dǎo)入的路徑，需要做合適的防護(hù)處理，常規(guī)做法是排座處添加TVS陣列，高速電路選擇TVS器件注意該器件的寄生電容，USB2.0接口保護(hù)器件寄生電容必須小于5pF。
若受成本控制影響，退而求其次，引用常規(guī)EMC接口設(shè)計措施，在排座信號線上并聯(lián)500pF以下小電容到GND,提高ESD免疫能力.
5.敏感信號的處理。 對于類似RESET的關(guān)鍵信號，遭遇靜電干擾時會引起系統(tǒng)復(fù)位或死機(jī)，走線時注意加地線屏蔽，電路也應(yīng)該做適當(dāng)處理。
信號線路上有選擇的添加一些合適的電容或串聯(lián)合適的電阻，有助于提高ESD免疫能力，但應(yīng)注意阻容器件值的大小。
6.電源濾波。 實驗證明，靜電放電引起的干擾脈沖是按指數(shù)規(guī)律衰減的調(diào)制正弦波，含有豐富的高頻分量，因此應(yīng)對電源進(jìn)線用濾波器濾波，大規(guī)模集成電路的電源管腳應(yīng)對地添加104去耦電容和106充放電電容。下圖電源電路比較典型：
VAR1可以抵御電源浪涌，D1提升了電源對后級浪涌的吸收能力。
7.正確的接地措施。 為了避免ESD電流流經(jīng)系統(tǒng)，設(shè)備的金屬外殼最好與系統(tǒng)地僅僅單點連接。PCB的信號回路應(yīng)該盡可能小，減小天線效應(yīng)。PCB上一個低阻抗的地平面對于信號的回流，屏蔽都有比較好的效果。
8.軟件ESD保護(hù)。 程序上應(yīng)該考慮ESD的保護(hù)措施，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，程序能檢測到，并且能使系統(tǒng)適度的恢復(fù)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。
另外，對于Mountain View Silicon 解碼IC的主要應(yīng)用方向—>汽車電子產(chǎn)品要嚴(yán)格設(shè)計電源電路。汽車電源總線很不干凈，盡管標(biāo)稱電壓是12V，但是在正常工作狀態(tài)下電壓可能為8～16V。此外，汽車電池電流非常大，任意一個大功率電子設(shè)備的啟動或突然停止，電源上都可能會感應(yīng)出很高的電壓尖峰。對于汽車電子產(chǎn)品，電源電路的設(shè)計對于產(chǎn)品可靠性非常重要。 |
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