EMC篇之ESD應對策略

　　ESD試驗作為EMC測試標準的一項基本測試項目，如果產(chǎn)品的前期設計考慮不足，加上經(jīng)驗不夠的話(huà)，往往會(huì )讓人焦頭爛額。一般中小型企業(yè)，如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的EMC工程師，往往這項工作就必須由硬件工程師來(lái)承擔。對于整機來(lái)說(shuō)，ESD抗擾能力不僅僅來(lái)自芯片的ESD耐壓，PCB的布局布線(xiàn)，甚至與工藝結構也有密切關(guān)系。

　　常見(jiàn)的ESD試驗等級為接觸放電：1級——2KV;2級——4KV;3級——6KV;4級——8KV;空氣放電：1級——2KV;2級——4KV;3級——8KV;4級——15KV。本人所處的醫療電子行業(yè)，產(chǎn)品的ESD試驗一般要達到第3等級，即接觸6KV，空氣8KV。在整機ESD試驗方面，本人也搞過(guò)了幾臺不同型號的產(chǎn)品，也算搞出了一點(diǎn)眉目，總體的解決思想是把靜電流向地，現總結如下。

　　1.電源加TVS管

　　特別是對于裸露在外的一些接口，比如USB、VGA、DC、SD卡等，對這些接口進(jìn)行接觸放電時(shí)，靜電很容易就會(huì )“串”到電源線(xiàn)上，靜電由本來(lái)的共模變成了差模，此時(shí)電源上就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很高的尖峰，很多芯片都承受不了，發(fā)生死機，復位等問(wèn)題。對于電源VCC的ESD保護，可以并接TVS管來(lái)解決。TVS管與穩壓二極管很相似，都有一個(gè)額定的電壓，不同的是它的響應速度特別快，對靜電有很好的泄放作用。例如對于USB接口(見(jiàn)圖1.1、圖1.2)，VCC和外殼地之間并接5V的TVS管。相當于把電源和地鉗位在5V以?xún)?，這樣可以有效地把靜電電流導向地，達到效果很明顯。要注意的是布局布線(xiàn)的時(shí)候，TVS管要盡量靠近接口的位置，TVS的陰極以最近的路徑接到接口的外殼地(如果有的話(huà))。

　　圖1.1

　　圖1.2

　　2.對外接口信號線(xiàn)ESD保護

　　對外接口的信號線(xiàn)同樣需要保護，否則靜電經(jīng)過(guò)信號線(xiàn)直接到達芯片IO管腳，雖然芯片的IO都有二極管保護，一般可以抵御+-2KV的靜電，但是對于+-6KV的ESD接觸放電，就會(huì )遭遇損壞的風(fēng)險。同樣是USB接口，如圖2.1，差分信號線(xiàn)D+和D-接了個(gè)ESD器件TPD4S012，實(shí)際上是與USB電源和地并接反向二極管，把電流導向USB電源或者地。

　　圖2.1

　　3.敏感器件電源添加LC濾波

　　有些IC特別容易受靜電影響，進(jìn)行ESD試驗時(shí)，總是發(fā)生復位或者死掉。究其原因，一般都是電源引腳受到干擾。對此可以對其電源添加LC濾波。一般芯片的VDD管腳旁邊都會(huì )有一個(gè)去耦電容，但是這個(gè)去耦電容是沒(méi)有辦法有效攔截靜電的，甚至是幾十uF的鉭電容并接小電容，效果仍舊不佳。這時(shí)候，如果再串一個(gè)小電感，情況就得到很好的改觀(guān)。靜電放電會(huì )產(chǎn)生一個(gè)尖峰，同屬于高頻干擾，LC可以很好地將高頻濾除，使通過(guò)電感之后的尖峰大大減弱，IC就不容易死機或者復位。

　　本人有一次對整機EMC整改，ESD試驗時(shí)，按鍵控制板的MCU老是復位。后來(lái)用示波器進(jìn)行追蹤，發(fā)現是外部看門(mén)狗芯片發(fā)生復位，導致MCU復位。于是先在電源上并接TVS管，還是會(huì )復位;再在看門(mén)狗芯片VCC管腳旁并接22uF鉭電容，情況好一些，但還是會(huì )復位;最后再串接一個(gè)0.47uH的貼片電容，組成LC濾波(如圖3.1所示)。在+-6KV的ESD接觸放電下，就再也不會(huì )復位，而且工作正常。

　　圖3.1

　　4.PCB鋪地要求

　　PCB要盡可能多的鋪地。如果是雙面板，兩面都要大面積鋪銅，而且還要有足夠的地過(guò)孔;如果是四層板或以上，主要元件層的臨近平面層要設置成地層。比如四層板，如果主要元件在頂層，那么分層為：頂層->地層->電源層->底層;如果主要元件在底層，分層為：頂層->電源層->地層->底層。

　　5.接地要求

　　靜電要得到有效釋放，就要保證良好的接地。對于醫療電子，一般的醫療電子產(chǎn)品比如監護儀，機身后面都會(huì )有一個(gè)等電位接地端。在做ESD試驗的時(shí)候，這個(gè)接地端也是要接大地的，這樣就有了一個(gè)靜電快速泄放的途徑。如圖5.1，假如主電路板分為三個(gè)模塊：電源板，主控板和接口板，接口板的接口外殼地要和信號地分開(kāi)，然后接口板的外殼地和等電位端用粗導線(xiàn)相連。系統的信號地可以從電源板的外殼地與信號地相連然后共用一根粗導線(xiàn)與等電位端相連。之所以沒(méi)有采用每塊板都分別接到等電位端的星形接地方法，是因為星形接地會(huì )形成接地環(huán)路，從而增加射頻噪聲和容易受電磁干擾。

　　圖5.1

　　6.PCB布局布線(xiàn)

　　從原理圖的設計到PCB的布局布線(xiàn)，EMC的設計思想就應該在深深的腦海里。設計出了好的原理圖，如果PCB布局布線(xiàn)不當，那么出來(lái)的板子是失敗的。如果芯片的去耦電容離芯片的管腳很遠，那也就失去了去耦的作用。如果敏感信號的走線(xiàn)太長(cháng)，就會(huì )引入意想不到的電磁干擾。在抗ESD方面，敏感的器件或者信號線(xiàn)(如reset)應該遠離PCB邊緣，防止空氣放電直接干擾到器件和信號線(xiàn)。PCB邊緣應該留有一定寬度的空隙或者鋪銅。