ESD靜電放電測試通常根據(jù)IEC 61000-4-2進行。這個測試是確定外部的靜電放電或由ESD產(chǎn)生的感應(yīng)場、二次放電，是否會對產(chǎn)品產(chǎn)生影響。可能放電部位包括任何可接觸的控制件、電纜連接器或其他可接觸的金屬件。
放電電壓為±4KV、±8KV或±15KV，具體數(shù)值取決于產(chǎn)品的使用環(huán)境或?qū)嶋H使用。對于這種測試，幾類性能判據(jù)可能是可接受的。性能判據(jù)的分類參考ESD標準IEC 61000-4-2，但受試產(chǎn)品的數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)的重新啟動或損壞通常認為是測試不合格。
在通常的測試中，ESD施加在EUT的不同點上，同時觀察其性能是否發(fā)生變化。僅有導體會發(fā)生ESD，而對絕緣體或抗靜電材料則不會。如果存在裸露的金屬，那么對此金屬進行放電就會產(chǎn)生ESD。如果不能阻止ESD電流瞬態(tài)，那么就必須控制放電電流的路徑。
如果能搞清楚放電電流的路徑并對其進行改變，是一種更實際的解決辦法。如果已知ESD電流的注入點，那么確定電流離開產(chǎn)品的最可能的點將是很有幫助的。由于涉及高頻高達1GHz，放電電流的一些路徑可能是通過電容而不是沿著導線。
在進行ESD電流的可能路徑時，我們可以認為通過高頻時-電容是短路的，導線是開路的，這樣可以對電路的電流路徑進行簡化分析。
▲ 常見的ESD脈沖進入信號連接器的接地外殼 示意圖
如圖所示，常見的ESD進入點為I/O及信號連接器的外殼，比如USB、以太網(wǎng)或串口。除非這些連接器的外殼與產(chǎn)品的屏蔽殼體進行了很好的搭接，否則ESD電流將直接進入到PCB上，從而使電路受到干擾或損壞。
對于一些低成本的產(chǎn)品，由于沒有使用成本較高的屏蔽殼體，因此也會產(chǎn)生問題。在這種情況下，一個好的辦法是增加金屬轉(zhuǎn)移平面，這就將電流轉(zhuǎn)移到電源的安全地回路或通過對地電容泄放到大地，再讓電流路徑返回其源端。
2 ESD靜電放電的故障原因分析
在大多數(shù)情況下，各項試驗的檢測和診斷方式大同小異比如輻射發(fā)射。對于高頻特性的ESD，這是因為從產(chǎn)品向外輻射的天線振子，比如電纜和外殼縫隙也能作為接收天線，將ESD產(chǎn)生的場傳入產(chǎn)品，潛在地引起干擾，甚至使系統(tǒng)重啟。
此外，如果I/O連接器沒有與金屬殼體進行好的搭接，由于電流盡力返回到產(chǎn)生它的源端。因此ESD電流能直接進入EUT，從而使電路受到干擾或損壞：
01、I/O連接器外殼和產(chǎn)品殼體之間的高阻抗搭接。
02、電纜屏蔽層和外殼或屏蔽殼體的搭接不好。
03、屏蔽面板與外殼或殼體之間的搭接不好。
04、顯示屏LED/LCD存在大的縫隙。
05、I/O電纜或電源線電纜上的濾波不充分或瞬態(tài)保護器件使用不當。
06、關(guān)鍵電路處射頻旁路不足，比如CPU的復位信號線。
因此，可以建立如下的等效電路工作模型：
▲ 等效電路工作模型
注意點：ESD能量從產(chǎn)品外殼泄放的過程中會形成靜電場干擾，既有傳導的路徑還有輻射的路徑；也因此會出現(xiàn)產(chǎn)品的失效情況。
3 常見的失效模式
ESD靜電放電通常產(chǎn)生的問題如下：
01、系統(tǒng)重啟
02、模擬或數(shù)字電路出現(xiàn)故障
03、顯示屏上出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)及顯示屏顯示異常
04、數(shù)據(jù)丟失
05、數(shù)據(jù)傳輸停止、變慢或中斷
06、高誤碼率
07、產(chǎn)品的狀態(tài)發(fā)生改變
08、電路受到故障
4 故障診斷及優(yōu)化方法
01、確保其與金屬殼體進行了好的搭接。
02、檢查可能會在連接器外殼和產(chǎn)品外殼之間產(chǎn)生阻抗的涂層或噴涂。
03、確保連接器的外殼都是緊固的，各組件之間具有低阻抗的路徑。
04、確保產(chǎn)品外殼與保護地或ESD發(fā)生器的返回路徑進行了正確的連接。
如果懷疑是電纜把ESD電流耦合給了產(chǎn)品及電路，這時推薦的故障診斷方法：
盡可能在接近產(chǎn)品連接器的電纜上加裝鐵氧體共模扼流圈。
在任何可疑的輸入或輸出端口處設(shè)計簡單的低通RC濾波器，串聯(lián)電阻的典型值為47～100Ω，與信號或電源返回路徑之間的典型電容值為1～10nF。
I/O接口線上設(shè)計共模扼流圈。
數(shù)據(jù)線上設(shè)計TVS器件。TVS設(shè)計注意其選型設(shè)計規(guī)則和方法。
確保所有的殼體緊固件都是緊固的。
可使用銅帶密封可疑的縫隙。
在泄漏縫隙和內(nèi)部電路電子元器件之間增加附加的隔離。
在泄漏縫隙和內(nèi)部電路之間增加內(nèi)部屏蔽體，并將其與外殼地進行直接連接。
如果ESD通過鍵盤和按鍵進入，這時推薦的方法：
在按鍵和鍵盤的PCB之間增加內(nèi)部屏蔽體并將其與外殼地進行直接連接。
在結(jié)構(gòu)上設(shè)計的ESD靜電放電的防護處理如下圖所示。
▲ 按鍵在結(jié)構(gòu)上的ESD設(shè)計示意圖
6 典型的解決方法
▲ ESD故障示意圖
串聯(lián)設(shè)計：比如鐵氧體磁珠、共模扼流圈和小阻值的串聯(lián)電阻器?？捎糜谧柚够驕p小電流脈沖。
并聯(lián)設(shè)計：比如電容器件、反偏的二極管、火花隙或氣體放電裝置，當跨接在數(shù)據(jù)線上時，可將大部分的ESD電流轉(zhuǎn)移至外殼平面或安全地。
對于高速數(shù)據(jù)線，可以使用的兩種最佳技術(shù)為陶瓷ESD裝置和硅ESD裝置。陶瓷防護裝置的電容值非常小，大約為0.05pF、耐壓非常高且壽命長。
對于8KV的ESD脈沖，他們可將峰值電壓限制到300V，鉗位電壓為40V。硅ESD裝置的電容值稍大點，為0.25pF。其優(yōu)點是具有非常快的開通時間，可將峰值電壓限制在50V以內(nèi)，鉗位電壓為8～10V。
對于沒有金屬殼體的產(chǎn)品或EUT，ESD抗擾度的設(shè)計值得關(guān)注。其設(shè)計方法：可以在會導致任何元器件出現(xiàn)敏感ESD電流路徑上增加串聯(lián)阻抗，以及在想讓ESD電流離開產(chǎn)品的位置處增加低阻抗的轉(zhuǎn)移路徑。
通過軟件設(shè)計也可能使產(chǎn)品對ESD產(chǎn)生固有的抗擾度：
01、不要使用無限的“等待”狀態(tài)。
02、在適當?shù)那闆r下，使用“看門狗”程序讓EUT重啟。
03、使用校驗位、校驗或糾錯碼，以防止存儲損壞數(shù)據(jù)。
04、一定要確保所有的輸入為鎖存的和選通的；不能為浮點的。
7 電路的設(shè)計采用堵和導的方法
01、MCU控制芯片的電源和地的濾波設(shè)計
02、接口電路的電源濾波及信號電路的R,C濾波
03、驅(qū)動器I/O發(fā)送和接收端的電阻R,阻容RC的反射及串擾控制
04、PCB的信號回流和電源與地回流面積的控制；
8 PCB的ESD防護設(shè)計技巧
01、把干擾泄放到大地或者對地阻抗最小的點上；
02、減小干擾進入PCB內(nèi)部電路的能量；
03、增加被干擾電路的高頻阻抗；
04、對敏感的器件或電路進行防護；
05、加強絕緣擊穿距離；
注意：當靜電放電ESD干擾信號通過耦合方式到達電路板內(nèi)部的時候，如下圖所示：
注意：PCB的設(shè)計地走線，地回路，接地點的位置設(shè)計也是解決抗擾度ESD設(shè)計最關(guān)鍵的設(shè)計方法與思路。
下面通過幾個實例來和大家一起分享下。
1. 某智能手表在側(cè)鍵附近打ESD后出現(xiàn)反復開關(guān)機現(xiàn)象
根據(jù)反復重啟的時間判斷，類似于長按Power鍵。檢查Power_On信號，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被持續(xù)拉低，Power_On信號的原理圖如下：
為了降成本，位置1并沒有貼TVS管，而是用一個電容代替，電容的耐壓值是25V。失效的機器，這個電容已經(jīng)短路，可以判斷ESD進入殼體，直接打壞了位置1的電容。
如果把位置1的電容耐壓提高到50V，能抗的ESD槍數(shù)量會增多，但最終還是會壞。這個項目不是防水的，密封性做得很差，所以才有問題。
【解決方法】
把位置1的電容換成TVS管，或者位置1不要貼任何東西，在位置2放一個1nF的電容。靠1K電阻+1nF電容來吸收ESD能量。
另外，在側(cè)鍵的FPC附近，增加了GND露銅區(qū)域，引導ESD先進入GND。這也是一種低成本的解決方法，如果ESD能量足夠大，實測幾乎可以把1K電阻打壞。
2. 某智能手表在USB接口外殼打ESD造成黑屏死機問題
充電口是Micro-B型USB接口，接觸放電±10KV，會出現(xiàn)黑屏，死機，閃屏等現(xiàn)象。抓死機Log，沒有發(fā)現(xiàn)什么端倪。
將USB信號逐個引出，VBUS，D+，D-都沒有出現(xiàn)問題，打ID管腳，會出現(xiàn)類似現(xiàn)象。打GND，會很低概率出現(xiàn)類似現(xiàn)象。遂將問題定位到ID管腳，和GND上。仔細檢查USB接口附件的Layout，問題如下：
1、USB_ID管腳是懸空的。
2、在L3和L6層，靠近USB接口，有與屏相關(guān)的敏感信號。
懸空的ID管腳是知名威脅，靜電積累到一定程度，肯定會對周圍放電，二次放電的威力更大。USB周圍的有敏感信號，在打ESD時，附近的GND電平瞬間局部抬高，尤其是看到USB接口的屏蔽殼跟表層相連，周圍沒有非常多的過孔打到內(nèi)層GND，這更加重了GND局部電平的提高，這會干擾到這些敏感信號，導致死機，黑屏，閃屏問題。
【解決方法】
USB的固定PIN以及GND PIN，只接主GND，不要每一層都接GND。MIPI，LCD_TE，LCD_RST遠離USB接口。
3. 某智能手表屏幕朝下，打后殼會黑屏
這是一個SPI接口的顯示屏，問題比較簡單，一個偶然的機會發(fā)現(xiàn)是SPI信號中，CS線被軟件強制拉低，且一直處于低的狀態(tài)，這樣是不行的。
實測將CS線的行為改成符合SPI協(xié)議，只在傳輸數(shù)據(jù)時拉低，這個黑屏的問題解決了。
4. 某智能手表在USB的GND PIN上注入接觸-8KV靜電，會概率關(guān)機
首先抓取了Log分析，沒有發(fā)現(xiàn)什么線索。
直接拆開整機，在主板的不同地方的GND，注入ESD，統(tǒng)計關(guān)機的次數(shù)，得出一個簡單的規(guī)律，只有在靠近電池BTB的地方，才會大概率出現(xiàn)，初步判斷是ESD干擾了電池周圍的信號。
電池BTB周圍的信號有D+，D-，VBUS，MIPI，BAT_ID，BAT_THERM等，逐個在這些信號上，注入小兩級的ESD，比如±2KV，有些信號會導致PMU損壞，有些會導致死機。只有BAT_ID信號會出現(xiàn)關(guān)機的現(xiàn)象。
關(guān)機有兩種可能，一是內(nèi)部軟件流程關(guān)機，二是電池突然掉電。尤其是第二種，往往很容易忽略。因為某些情況下，ESD注入兩槍，立即就出現(xiàn)了關(guān)機現(xiàn)象，這很像是電池掉電了。
電池掉電有兩種可能，一是電池保護板保護機制生效，切斷了供電。二是Vbat到PMU的通路被打斷。排查了主板上的器件，Vbat的通路經(jīng)過的都是一些模擬器件，可能性比較小。
我們直接從主板VBAT飛線，連接到程控電源上，再打ESD的時候，發(fā)現(xiàn)就不會關(guān)機了。這進一步說明，在注入ESD時，是電池本身沒有輸出了。
電池保護板的原理圖如下：
在圖中GND上注入+8KV，沒有問題，因為右邊的TVS吸收了大部分能量，由于正向?qū)ǎQ位電壓較低（小于4.4V），電池保護板沒有觸發(fā)保護機制。但是如果注入-8KV，TVS管開始反向鉗位，瞬間的鉗位電壓較高（大于4.4V），超過電池起保護電壓，電池觸發(fā)保護機制，MOS管U2斷開，導致關(guān)機。下圖是TVS管的鉗位特性，也能佐證這個結(jié)論。
注意電池保護板的保護IC，是判斷C1兩端的電壓，來決定是否起保護的。所以要解決這個問題，需要增大C1的容值。實測將C1增大到1uF，關(guān)機的概率明顯降低了。
降低了，但沒有徹底解決問題，肯定還有其他原因。這個原因是先猜出來，然后試驗驗證的。
上文提到只有BAT_ID信號會出現(xiàn)關(guān)機的現(xiàn)象。所以猜測靜電耦合到了ID管腳，進入PMU導致關(guān)機。
下面是這次電池保護板的走線，ID的走線與GND有較長的耦合長度，GND上的瞬間能量能很快耦合到這根線上，最終直接進入到PMU。
雖然主板上ID走線也跟GND有很長的耦合距離，但是主板上的GND與Vbat之間有TVS鉗位，GND的電壓不至于跳變太厲害，也不會耦合很多能量到ID線上。反而是電池FPC上的GND電平跳動最大，ID線在FPC上耦合的能量更多。
FPC改版成如下樣式，ID和GND基本沒有重疊區(qū)域，能量也不會耦合到ID管腳上，再也沒有出現(xiàn)過關(guān)機問題。
5. 屏幕朝下，ESD接觸放電后殼，TP失效
經(jīng)檢查，確定是TP IC被打壞。沒有仔細分析IC損壞的原因，因為發(fā)現(xiàn)TP FPC背后的雙面導電膠太弱，根本沒有粘到GND上。TP沒有很好接地，導致了這個問題。
只要TP接地良好，就肯定不會出現(xiàn)TO IC失效問題。
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