一個設計問題引發(fā)的ESD深思

　　前些時候寫了電子產品設計方面有關ESD的短文(詳解PCB板的ESD http://m.butianyuan.cn/article/275810.htm),在文章中總結了9種在電子產品設計時使用的防靜電技術。誠然，利用上文中的技術總結可以很好的完成一個設計，但是，最近我在產品開發(fā)過程中碰到了讓人發(fā)狂的問題。

　　首先看下電子產品設計原理：

　　原理其實很簡單，在一塊PCB上有一個功能模塊，需要上拉至VCC連接至第二塊PCB上，但是兩個模塊之間需要焊接一導線。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，從原理上看已經考慮到了各種問題，但是該產品在產線組裝過程中，偶爾發(fā)生與該導線連接的MCU管腳不能識別信號的情況。通過將對MCU分析得到該MCU管腳由于承受過高的電壓沖擊而產生損壞。

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

　　經過這樣的事情，我深深的明白了電子產品設計過程中細心和經驗的重要性，特別是ESD保護電路，并不是放置一個ESD管，保護下關鍵走線就能解決的問題。

　　下面我將我的經驗和教訓分享給廣大網(wǎng)友。

　　首先、產品設計中出現(xiàn)了問題一定要進行解決，否則會給你設置個大絆腳石。

　　在產品前期設計過程中，曾經出現(xiàn)過一個這樣的現(xiàn)象，由于數(shù)量不多就沒有在意，以為是由于工人的操作原因引起的，但是到了產品少產或者大批量生產過程中，就將這個設計缺陷放大幾十倍幾百倍的暴露了出來。

　　其實、為了設計便利，ESD管選擇雙向導通。

　　我們做消費類電子產品中，經常使用到的元件為防ESD管：MCU關鍵管腳，關鍵信號，usb各個管腳，音頻線等等都要使用。在之前的一個穿戴產品中使用到的ESD管多大22個。在產品貼片過程中，需要對元件的極性進行確認。這樣，如果采用單向ESD管，假如由于沒有發(fā)現(xiàn)這種問題，在產品完成后會由于二極管的單向道通性，使得經過ESD保護的信號線維持在0.7v左右，而影響產品功能。而如果采用的是雙向ESD管，那么久不會出現(xiàn)這么累人的場面，并且，現(xiàn)在雙向導通的ESD管成為市場的主流，價格也是白菜價。下面看下單向導通和雙向導通ESD管的區(qū)別。

　　從上面的兩個ESD特性的電壓電流曲線可以看出，單向的ESD(圖一)在正常使用中(逆向截至)狀態(tài)下，當電壓超過一定量時，電流會迅速增加，因此，我們在做ESD測試或者產品在靜電環(huán)境下引入靜電時，由于電流會迅速通過，而不會對我們的系統(tǒng)產生影響，而正向導通時，電流隨著電壓的增加而成指數(shù)增加，這與我們常見的二極管特性相同。如圖二，雙向的ESD在電路中不管如何使用，當電壓超過一定數(shù)據(jù)時，電流都會迅速通過。

　　雖然我們知道了ESD管的作用只要是使產品經受ESD侵入時，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的關鍵參數(shù)。如下圖是一個ESD的一些參數(shù)，我們來分析一下參數(shù)的意義。

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

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

　　Ipp與Ppp成正相關，當導通電壓一定時，Ipp越大Ppp就會越大。

　　穩(wěn)定參數(shù)T，我們需要注意的是產品使用溫度和結溫度。產品使用溫度決定產品能否滿足產品規(guī)格書的使用環(huán)境溫度，而結溫度會影響ESD管泄露能量時是否會被燒掉。

　　崩潰電壓，也就是ESD管被導通的電壓，這個參數(shù)關系著ESD管保護產品的性能。

　　漏電流，不但ESD管需要注意漏電流，比我我們常見的mcu、LDO等都需要關注這個參數(shù)。對于消費類電子來說，鋰電池的使用時間與產品的休眠電流，漏電流有著重要的關系。

　　下面聊聊ESD管參數(shù)之間的關系：

　　最小擊穿電壓和額定反向關斷電壓：ESD管依據(jù)擊擊穿電壓的離散程度分為5%和10%兩種規(guī)格，對于5%規(guī)格的ESD管，額定反向關斷電壓為最小擊穿電壓數(shù)值的0.85倍，而對于10%的ESD管，額定反向關斷電壓為最小擊穿電壓數(shù)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的參數(shù)。針對不同的產品的ESD要求等級，選擇不同等級的脈沖功率。正如我們理解的，隨著該參數(shù)的增大，ESD管的抗浪涌能力越強，此外，該參數(shù)還與脈沖波形，持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。

　　ESD管的電容量。產品中使用的ESD管通常等效為一個二極管和一個電容的并聯(lián)關系。而電容對于數(shù)據(jù)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管的時候，要根據(jù)電路的回路特性來選擇元件。通常的經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。