一個(gè)設計問(wèn)題引發(fā)的ESD深思

　　前些時(shí)候寫(xiě)了電子產(chǎn)品設計方面有關(guān)ESD的短文(詳解PCB板的ESD http://dyxdggzs.com/article/275810.htm),在文章中總結了9種在電子產(chǎn)品設計時(shí)使用的防靜電技術(shù)。誠然，利用上文中的技術(shù)總結可以很好的完成一個(gè)設計，但是，最近我在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中碰到了讓人發(fā)狂的問(wèn)題。

　　首先看下電子產(chǎn)品設計原理：

　　原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，在一塊PCB上有一個(gè)功能模塊，需要上拉至VCC連接至第二塊PCB上，但是兩個(gè)模塊之間需要焊接一導線(xiàn)。在PCB LAYOUT設計中，為了防止焊接或者其他因素引起的靜電破壞設計，將上拉和ESD管都放在第二塊PCB上(MCU在第二塊PCB上)，將上拉電阻放在遠離PCB2 MCU位置，將ESD管放在稍微靠近MCU的位置。

　　這樣的設計，從原理上看已經(jīng)考慮到了各種問(wèn)題，但是該產(chǎn)品在產(chǎn)線(xiàn)組裝過(guò)程中，偶爾發(fā)生與該導線(xiàn)連接的MCU管腳不能識別信號的情況。通過(guò)將對MCU分析得到該MCU管腳由于承受過(guò)高的電壓沖擊而產(chǎn)生損壞。

　　當我們發(fā)現這種情況后，于是對設計進(jìn)行了稍微的調整，就是將ESD管放在距離MCU管腳最近的位置，同時(shí)更換了ESD管為低耐壓的。然后在產(chǎn)線(xiàn)驗證，該方法切實(shí)有效。

　　經(jīng)過(guò)這樣的事情，我深深的明白了電子產(chǎn)品設計過(guò)程中細心和經(jīng)驗的重要性，特別是ESD保護電路，并不是放置一個(gè)ESD管，保護下關(guān)鍵走線(xiàn)就能解決的問(wèn)題。

　　下面我將我的經(jīng)驗和教訓分享給廣大網(wǎng)友。

　　首先、產(chǎn)品設計中出現了問(wèn)題一定要進(jìn)行解決，否則會(huì )給你設置個(gè)大絆腳石。

　　在產(chǎn)品前期設計過(guò)程中，曾經(jīng)出現過(guò)一個(gè)這樣的現象，由于數量不多就沒(méi)有在意，以為是由于工人的操作原因引起的，但是到了產(chǎn)品少產(chǎn)或者大批量生產(chǎn)過(guò)程中，就將這個(gè)設計缺陷放大幾十倍幾百倍的暴露了出來(lái)。

　　其實(shí)、為了設計便利，ESD管選擇雙向導通。

　　我們做消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，經(jīng)常使用到的元件為防ESD管：MCU關(guān)鍵管腳，關(guān)鍵信號，usb各個(gè)管腳，音頻線(xiàn)等等都要使用。在之前的一個(gè)穿戴產(chǎn)品中使用到的ESD管多大22個(gè)。在產(chǎn)品貼片過(guò)程中，需要對元件的極性進(jìn)行確認。這樣，如果采用單向ESD管，假如由于沒(méi)有發(fā)現這種問(wèn)題，在產(chǎn)品完成后會(huì )由于二極管的單向道通性，使得經(jīng)過(guò)ESD保護的信號線(xiàn)維持在0.7v左右，而影響產(chǎn)品功能。而如果采用的是雙向ESD管，那么久不會(huì )出現這么累人的場(chǎng)面，并且，現在雙向導通的ESD管成為市場(chǎng)的主流，價(jià)格也是白菜價(jià)。下面看下單向導通和雙向導通ESD管的區別。

　　從上面的兩個(gè)ESD特性的電壓電流曲線(xiàn)可以看出，單向的ESD(圖一)在正常使用中(逆向截至)狀態(tài)下，當電壓超過(guò)一定量時(shí)，電流會(huì )迅速增加，因此，我們在做ESD測試或者產(chǎn)品在靜電環(huán)境下引入靜電時(shí)，由于電流會(huì )迅速通過(guò)，而不會(huì )對我們的系統產(chǎn)生影響，而正向導通時(shí)，電流隨著(zhù)電壓的增加而成指數增加，這與我們常見(jiàn)的二極管特性相同。如圖二，雙向的ESD在電路中不管如何使用，當電壓超過(guò)一定數據時(shí)，電流都會(huì )迅速通過(guò)。

　　雖然我們知道了ESD管的作用只要是使產(chǎn)品經(jīng)受ESD侵入時(shí)，能量迅速卸掉(多以電流的形式泄露至地)，那么我們對于這種管子有什么需要特別注意的呢?首先是ESD的關(guān)鍵參數。如下圖是一個(gè)ESD的一些參數，我們來(lái)分析一下參數的意義。

　　Vpp通常是符合一定規范的激活脈沖電壓，這個(gè)參數我們需要特別注意，當我們選擇一個(gè)ESD管時(shí)，該參數要比產(chǎn)品要經(jīng)受的靜電電壓稍微大點(diǎn)。假如產(chǎn)品需要承受±8Kv的靜電，那么我們選需要±10Kv的管子。

　　Ppp參數決定這管子的能量泄露能力，P=UI，一般情況下，這個(gè)參數要大一點(diǎn)，這樣ESD管能量的泄露能力會(huì )增強不少。

　　Ipp與Ppp成正相關(guān)，當導通電壓一定時(shí)，Ipp越大Ppp就會(huì )越大。

　　穩定參數T，我們需要注意的是產(chǎn)品使用溫度和結溫度。產(chǎn)品使用溫度決定產(chǎn)品能否滿(mǎn)足產(chǎn)品規格書(shū)的使用環(huán)境溫度，而結溫度會(huì )影響ESD管泄露能量時(shí)是否會(huì )被燒掉。

　　崩潰電壓，也就是ESD管被導通的電壓，這個(gè)參數關(guān)系著(zhù)ESD管保護產(chǎn)品的性能。

　　漏電流，不但ESD管需要注意漏電流，比我我們常見(jiàn)的mcu、LDO等都需要關(guān)注這個(gè)參數。對于消費類(lèi)電子來(lái)說(shuō)，鋰電池的使用時(shí)間與產(chǎn)品的休眠電流，漏電流有著(zhù)重要的關(guān)系。

　　下面聊聊ESD管參數之間的關(guān)系：

　　最小擊穿電壓和額定反向關(guān)斷電壓：ESD管依據擊擊穿電壓的離散程度分為5%和10%兩種規格，對于5%規格的ESD管，額定反向關(guān)斷電壓為最小擊穿電壓數值的0.85倍，而對于10%的ESD管，額定反向關(guān)斷電壓為最小擊穿電壓數值的0.81。

　　ESD管的額定脈沖功率是基于最大截至電壓和在最大截至電壓的脈沖峰值電流的出來(lái)的參數。針對不同的產(chǎn)品的ESD要求等級，選擇不同等級的脈沖功率。正如我們理解的，隨著(zhù)該參數的增大，ESD管的抗浪涌能力越強，此外，該參數還與脈沖波形，持續時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。

　　ESD管的電容量。產(chǎn)品中使用的ESD管通常等效為一個(gè)二極管和一個(gè)電容的并聯(lián)關(guān)系。而電容對于數據信號頻率越高的回路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成的噪聲或者衰減信號強度，因此我們在選擇ESD管的時(shí)候，要根據電路的回路特性來(lái)選擇元件。通常的經(jīng)驗為在高頻回路中選擇電容值小的(一般小于3pF)元件，一般情況下，可以選擇回路電容高的40pF的ESD管。