如何采取预防措施来防止或尽量减少因 ESD 事件造成的损害

我敢肯定，我们都至少失去了一块心爱的电路板，因为工程师的最爱——ESD。因意外 ESD 撞击而损坏的电子元件和电路板每年会造成数百万美元的损失。作为工程师，我们应该采取一切预防措施来防止或尽量减少因 ESD 事件造成的损害。考虑到当今环境中存在如此多的变量，创建稳健的 ESD 设计似乎是一项艰巨的任务。然而，我们可以做很多简单的事情来将风险降到最低。在深入探讨 ESD 安全的“注意事项”之前，让我们看看是否可以揭开 ESD 测试相关术语的神秘面纱。

静电放电(ESD)是在两个带电物体之间由接触、短路或电介质击穿引起的突发电流。摩擦或静电感应会引起静电累积。当两个具有不同静电电位的物体靠近或当它们之间发生介电击穿时，就会引起ESD，通常会产生看得见的火花。ESD可以产生壮观的电火花。闪电及打雷便是较大规模的ESD事件，还有一些ESD事件，看不见，听不着，咋一看不是那么惊天动地，但仍足以对灵敏的电子设备造成损害。ESD是非常棘手的事情。你可能认为保护接地金属柜内的电子设备并不太难，遗憾的是它比你想象的要复杂得多。

静电荷定义为静止时的不平衡电荷。这是由两个相互接触的绝缘体产生的，其中一个获得电子，另一个失去电子。如果这种累积的静电荷从一个表面移动到另一个表面，则可能会产生非常大的破坏性电压。例如，走过地毯会产生 2-4kV 范围内的静电荷。金属氧化物半导体 (MOS) 器件尤其处于危险之中，因为它们的绝缘层甚至会受到低至 50V 的放电的影响。

在为 ESD 稳健性设计电路板 (PCB) 时，需要牢记以下几点：

(1) BOM 上每个组件的 ESD 等级，有时也称为设备级 ESD

(2)板级、PCB级或系统级ESD

(3) 电路板的使用环境

设备或组件级别额定值通常由以下常用模型定义：

(1) 人体模型 (HBM)：此评级模拟由于人接触组件而发生的 ESD 冲击。这也是最常用的模型。

(2) 充电设备模型 (CDM)：该模型模拟制造和生产过程中的 ESD 冲击，例如使用贴片机或装配线。

(3) 机器模型 (MM)：此额定值模拟机器通过被测组件或设备 (DUT) 对地放电。

组件级 ESD 额定值主要用于确定设备的生产处理、制造、交付等过程中的安全标准。这些额定值被定义为行业标准值，组件制造商的数据表可能包含针对特定型号的每个型号的电压列表零件。

来自SM74611智能旁路二极管数据表的器件级 ESD 额定值的屏幕截图

您的设计在“应用中”的安全程度只能通过运行系统级测试来确定，即在整个应用 PCB 上进行测试。器件和系统级 ESD 测试在电压水平(峰值)、瞬态特性、耦合方法以及测试方式(空气或接触放电)方面可能有所不同。系统级 ESD 测试最常用的标准是电磁兼容性 - IEC61000 标准。该标准有许多不同的子分类，其中 IEC61000-4-2 最常用于消费电子产品，例如手机、平板电脑等。测试您的应用程序是否可以通过该标准将涉及构建原型并提交到专门从事 IEC 合规性的测试机构，或使用符合标准的测试台和程序在内部自行测试。

ESD 稳健性设计的第三个方面涉及将部署应用程序的环境。基于环境的影响的一些示例：

(1) 应用程序是否会完全封闭在切断所有访问的非导电外壳中?如果是，那么直接接触击针的可能性非常低，因为该系统完全由绝缘体封闭。

(2) 手机或笔记本电脑等消费类设备通常很容易遭受罢工，因为这些设备的功能基于用户输入。在电话中，ESD 可以通过按钮或连接到电话的辅助电缆耦合。

(3) 在许多提供 USB 端口的设备中，这是一个典型的“ESD 冲击热点”，因为用户每天要多次插拔电缆。