模组硬件通用｜ESD静电释放注意事项

当我们在进行接插件操作或者电路板调试时，有时会出现接口损坏或者电路板上的某个IC芯片失效的情况，原因可能仅仅是手触摸到了IC芯片，ESD(Electro-Static discharge 静电释放)导致了损坏。模组作为一个集成电路板，内部含有不同型号和规格的集成IC芯片，当其发生ESD事件时，可能对其内部芯片造成不可逆的损坏。下面将从ESD概述、ESD防护、ESD器件选型、ESD典型案例和注意事项5个方面来讲解。

一、ESD概述

（1）ESD来源与影响因素

静电的产生主要是是人与其它物体发生摩擦或者接触后，丢失了部分电子，积累了较多正电荷，当积累的电荷达到一定程度后，与金属物体接触时，金属物体上的电子就转移到人手上，电子移动就形成了ESD电流，也就是静电释放的过程。

产生静电的大小一般与四个方面有关，包括空气中的湿度、接触面的面积、接触的物体材质、接触或摩擦的时间等，例如在同样的条件下，10%湿度条件下产生的静电电压是远大于40%湿度条件下产生的静电电压的。

（2）ESD危害

ESD在电子产品的生产、测试、使用过程中都可能造成其内部电力损伤。一般有突发性损伤和潜在性损伤两种，前者表示损坏是突发性的，通过相关仪器可以进行检测，生产测试过程中可以将其进行筛选出来，而后者表示产品内部只损坏了一部分，电子产品功能不会立即失效，但已经是“受伤状态”，后续使用过程中将对产品质量造成更大影响。据相关统计，每年潜在性损坏占比达90%左右。

（3）ESD系统模型

在芯片或者电子产品生产、组装、测试过程中定义了两种常见模型，一种是带电人体的放电模型，又叫做HBM（Human Body Model），如图1，人体的静电通过芯片引脚接地，触发ESD事件；另外一种是充电器件的放电模型，又叫做CDM（Charged Device Model），如图2，一般指芯片在生产流程中因为与其它物体摩擦而使其壳体带电，当元器件引脚接地时，产生ESD事件。图3为常见电源芯片手册中的ESD防护等级。

图1 HBM放电

图2 CDM放电

图3 TPS61088电源芯片的ESD防护等级

上述两种模型的放电电流特性图如图4，CDM的特点是放电电流大，但是时间较短，HBM的特点是放电时间长，但放电电流峰值小，变化较平缓。

图4两种放电模式电流比较图

不论是HBM还是CDM放大模式，都只是描述了芯片在生产、组装、运输过程中所出现的ESD情况，而在我们使用、调试芯片及电路板时，实际放电电流更大，变化更加复杂，因此会采用另外一种标准IEC 61000-4-2来描述更为常见的ESD系统模型，如表1，其包含4个等级，一般情况下我们会要求电子设备具备等级4的抗静电程度，如果需要更高级别的防护，则需要考虑添加额外的ESD保护器件。

IEC 61000-4-2	接触放电电压（KV）	气隙放电电压（KV）
1	2	2
2	4	4
3	6	8
4	8	15

表1 IEC 61000-4-2标准表

（4）ESD与EOS

EOS（Electrostatic Over Stress）是指广义的过电应力，即电子器件或者IC芯片承受电压或者电流超过其最大范围，ESD是EOS的一种，如表2，是常见三种过电应力的现象的比较。

闪电	过电（EOS）	静电放电（ESD）
电压大、能量大	电压较小、持续时间较长、能量较小	电压大、持续时间短、能量较小

表2各种电应力的比较

二、ESD防护

ESD防护最常用的是添加ESD二极管进行保护，如图5，是常见的ESD电路保护模型。

图5 ESD电路保护模型图

当系统中有ESD事件发生时，大电流从ESD二极管流向地,从而保护了后级电路。在实际应用中，不仅要求从设计上避免ESD事件的发生，同时需要从生产、运输等各个方面进行ESD防护，例如工厂人员操作时带上防静电手环，工厂测试时配备离子风扇等，同时工厂整个环境，包括地面、桌面、工厂人员衣服等都有相应要求。

三、ESD器件选型

模组部应用较多的是使用TVS二极管进行静电防护，下面简单介绍如何为一个电路选择合适的TVS二极管型号。

（1）了解被保护引脚或者电路的工作电压

例如我们要对一个ML307A的USB接口进行静电保护，因为USB接口的工作电压是5V，因此所选TVS管的反向工作电压Vrwm必须大于或者等于5V，Vrwm又叫反向截止电压，因为二极管反向截止时也是存在电流的，只是此时的电流比较小（通常为nA级别），当电路工作电压大于Vrwm时，TVS二极管电流会增加，影响电路的正常工作。

（2）了解被保护引脚或者电路的最大可承受电压

钳位电压是指当二极管流过较大电流时，因为二极管本身是存在电阻的（动态变化），二极管两端的电压就叫做钳位电压，如果受保护时的最大钳位电压过大，将会对被保护系统造成损坏。

（3）了解需要防护的最大浪涌电流

当ESD事件发生时，通过二极管的最大电流必须小于TVS二极管的IPP（峰值电流），否则将会对TVS二极管造成损坏，一般要求被保护系统的防护等级达到IEC 61000-4-2的第四等级。

（4）了解所要保护的电路工作电流是单向还是双向的

当被保护电路中只存在正向电压时，选择单向的TVS二极管即可（单向的往往反向漏电流也更小）；如果被保护电路中即存在正向电压，有存在反向电压，那么此时就需要选择双向的TVS二极管。

（5）了解被保护电路中的信号工作频率，是否有严格的时序要求

TVS二极管本身是存在结电容的，增加一个TVS二极管就相当于并联了一个电容，当电路中存在高频信号时，增加的电容值将会增加信号的上升和下降时间，且电容的容值越大，上升时间和下降时间就越大，当上升时间与信号持续时间相差不足一个量级的时候，此时将会影响信号的正常传播，也就是影响信号完整性。例如当在SIM卡电路中使用保护二极管时，因为SIM_IO和SIM_CLK信号线工作频率较高，如果选用的TVS二极管结电容过大，那么SIM读卡时序可能受到影响而导致无法读卡。

图6是SR05 TVS二极管手册上的一些参数描述，图7是ML307A模组对ESD防护的相关设计要求。