合宙Luat|合宙Luat | 静电噼啪作妖（快来看看这篇ESD原理和ESD防护注意事项）合宙Luat|静电噼啪作妖？快来看

很多人不喜欢冬天，不是怕冷，而是害怕无处不作妖的静电。

在碰门手把的时候，在脱毛衣的时候，在撸猫的时候，在洗手的时候……可能是任何一个场景，随着猝不及防的“噼啪”声，甚至还伴着奇妙的火花盛宴，酸爽不可言的麻痛惊得寒毛直竖，让人恨不能后翻十个筋斗云，远远地离开这可恶的静电。然而，谁知下一次又不期而遇，从此有了冬日里的心理阴影。
你有没有被「电」到怀疑人生的那一刻，文末留言评论让大家注（开）意（心）一下吧，哈哈~

言归正传，即刻开启今天干货满满的分享。

ESD概念及其产生原理

裸手接触模块或者开发板后，板子突然不能工作了？这就是ESD在作怪。

1.1 什么是ESD ESD全称是Electro-Static discharge，其中文意思是“静电放电”，是指具有不同静电荷电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。
简单说就是电荷瞬间从一个物体移到另一个物体上，形成一个电荷转移过程的现象，即具有不同静电电势（电位差）的物体或表面之间的静电电荷转移，就是静电放电。

在EMC领域，我们习惯上称之为静电放电抗扰度试验，具体可参阅国际标准IEC-61000-4-2/GBT 17626.2。其中分接触放电和电磁场击穿介质放电。
1.2 ESD产生原理
具有不同静电荷电位的物体，由于直接接触或静电感应所引起的物体之间静电电荷的转移。通常指在静电场的能量达到一定程度之后，击穿其间介质而进行放电的现象。

静电的产生 摩擦起电 当两种不同性质的材料（至少其中一个为绝缘体）接触和分离，电荷从一种材料转移到另一种材料。
得到电荷的材料呈负电性，反之亦然；
产生电荷的类型与两种材料的相对位置有关；
任何两种材料摩擦后电极性都是可以判断的，在摩擦起电过程中，两者的距离越远，则各自产生的电荷越多。
物质的结合和分离都会产生静电。 雷电就是由积雨云中的冰晶、水滴、尘埃等，在强对流运动中相互摩擦、挤压等产生电荷，并积聚在云层的上下两端，从而形成的一种大自然的静电放电现象

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感应起电
非接触的方法；当导电材料充分接近时，来源于某静电源的静电场将引起该导电材料表面的电荷分离。
感兴趣的同学，可以某宝搜索静电感应起电机的视频加强理解。

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静电特点及不同材料的电特性
2.1 静电的特点
高电位：

可达数万至数十万伏，操作时常达数百至数千伏（人通常对于3KV以下静电不易感觉到）。

低电量：

静电流多为微安级

作用时间短：

微秒级

受环境影响大：

特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降；反之越干燥，静电压越高。

2.2 不同材料的电特性
绝缘体的电特性

很大的体电阻，体电阻大于1X10^11 欧姆；
很少有电子在物体中移动，在同一种物体上的不同地方可以保持正电荷和负电荷；
绝缘体的静电耗散只能通过环境，不能通过自己的表面接地耗散。
常见的绝缘体有尼龙、纸板、木头、硬橡胶、聚合物、聚氟乙烯、特氟龙等。

特别注意：
纸板和木头在湿度较高时，因为吸水具有静电耗散性能，湿度较低（一般小于50%左右）时表现为绝缘性能。

导体的电特性

体电阻小于1X10^4 欧姆；
电子能在导体表面和体内自由流动；
如果被接地，电荷能迅速被中和；

常见的铜、锡、钢、铝等金属材料都是导体。

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静电释放材料（静电耗散材料）

体电阻大于1X10^4 欧姆，小于1X10^11 欧姆；
电子在材料的表面可以自由移动，但移动的速率由于电阻而受到控制；
如果被接地，电荷将被缓慢的释放掉。

防静电材料都是用静电耗散材料制作的，如防静电屏蔽袋，防静电工作服等等。
合宙自有工厂——四川合佳科技身着防静电工作服的工作人员正在忙碌：

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人体活动产生静电
人体是导体，容易产生静电，对地能储存电荷。人在走动时更易产生静电，产生15千伏的静电很常见，产生35千伏的静电也是可能的。

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从数据上可以明显看到，在干燥的环境中产生的静电压更高，所以实际生活中在干燥的秋冬季节更易出现ESD问题。

常用器件的静电敏感性
常用的半导体器件静电敏感性如下图所示，日常工作可参考并注意相关防护。

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由上述数据可知：人体静电可以摧毁任何一个常用半导体元件！！！

通信模块的防静电能力
我们日常接触的通信模块及开发板，使用了很多电子元器件，那么在使用过程中是否会受到静电的影响？
接下来，我们以Air724UG模块为例，看看模块的防静电能力。
Air724UG模块的ESD防护能力

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从表中可以看到除了VBAT管脚和天线管脚的防静电能力可以达到空气放电10KV以外，其他管脚的防静电能力都很弱鸡，只能到空气放电1KV。
从前面的资料我们可以看到人体放电很轻松就能达到10KV，这样的话模块不是很容易就被打坏了吗？合宙为什么不把所有管脚的防静电能力都做到10KV呢？

模块的所有管脚都加好ESD防护器件，会有哪些问题呢？

成本会大幅增加，而绝大多数客户并不会用到模块的所有管脚，这势必会造成极大的浪费；
增加了这么多的ESD防护器件后，会占用大量的空间，必然会大幅增加模块的尺寸，这不符合模块小型化的趋势；
ESD防护器件要放置在靠近连接器的地方才能起到最好的防护效果，如果放置在模块内部，防护性能会大打折扣。

ESD防护措施 既然ESD防护绝大部分的工作需要靠终端来实现，那么我们在使用模块及电子产品的时候，具体要采用哪些防护措施呢？
4.1 生产环节
接地方式

接地就是将静电通过一条线的连接放入大地，这是防静电措施中最直接最有效的。

导体常用的接地方法有：带防静电手腕带及工作表面接地等。
静电屏蔽

静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响。最通常的方法是用静电屏蔽袋作为保护。

离子中和

绝缘体往往是易产生静电的，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和，即在工作环境中使用离子风机，离子气枪。

人体静电防护系统主要有防静电手腕带、脚腕带、脚跟带、工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成，具有静电泄放，中和与屏蔽等功能。
静电防护工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作的失败。
4.2 生产环节

产品到了消费者手上后，就会暴露在静电放电的风险中，我们必须在产品设计的环节中就设计好ESD防护。
整机ESD性能主要决定于：结构屏蔽性、ESD器件防护和PCB Layout防护。
结构屏蔽性

所有的结构缝隙都是潜在的ESD泄漏路径，有可能会损坏产品，所以必须尽可能的用外壳密封起来。

ESD防护器件

对于USB连接器、SIM卡座、天线等接口，无法通过结构来密封，我们可以通过增加ESD防护器件来增加产品的抗静电能力。
常见的ESD防护器件有TVS管和MLV压敏电阻。TVS管箝位时间短、结间电容小，用于高速信号防护；而 MLV价格便宜，用于低速信号的防护。

- 选择防护器件时的几个关键参数-
1）反向工作电压VRWM：
这个电压要高于保护网络端的正常工作电压
2）反向漏电流IR：
反向电流过大不仅增大系统功耗，而且可能影响信号功能，尤其在高速、低驱动能力的信号上更明显；
3）Clamping Voltage和Peak Pulse Power：
TVS管不损坏的前提下，Peak Pulse Power值越大、TVS体积越大，则TVS反向击穿阻抗越小，钳位电压Clamping Voltage也就越小，后端器件越安全；
4）结间电容CJ：
结间电容太大将影响高速信号完整性；建议USB、SDIO信号使用结间电容小于0.5pf 的TVS管进行防护。
另外天线也必须使用结间电容小于0.5pf的TVS管。
基于成本考虑，中低速信号如SIM、I2C、SPI、LCD_RST、LCD_FMARK、SIM_DET、HP_R、HP_L、HPMIC_IN_DET、KEYPAD，这些信号可以使用结容较大的TVS或者MLV进行防护。
PCB Layout 防护

不管选择怎样的TVS器件，它们在电路板上的布局非常重要。
TVS布局前的导线长度应该减到最小，因为快速（0.7ns）ESD脉冲可能产生导致TVS保护能力下降的额外电压。
另外，快速ESD脉冲可能在电路板上相邻（平行）导线间产生感应电压，感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC的路径。因此，被保护的输入线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。

- 推荐的ESD抑制器件PCB布局方案-
放置在被保护的IC之前，但尽量与连接器/触点PCB侧尽量近；
放置在与信号线串联任何电阻之前；
放置在包含保险丝在内的过滤或调节器件之前；
放置在IC之前的其他可能有ESD的地方；
【合宙Luat|合宙Luat | 静电噼啪作妖（快来看看这篇ESD原理和ESD防护注意事项）】TVS管的接地端到主地的泄放回路要尽可能的小。