一个设计问题引发的ESD深思

　　前些时候写了电子产品设计方面有关ESD的短文(详解PCB板的ESD http://www.eepw.com.cn/article/275810.htm),在文章中总结了9种在电子产品设计时使用的防静电技术。诚然，利用上文中的技术总结可以很好的完成一个设计，但是，最近我在产品开发过程中碰到了让人发狂的问题。

　　首先看下电子产品设计原理：

　　原理其实很简单，在一块PCB上有一个功能模块，需要上拉至VCC连接至第二块PCB上，但是两个模块之间需要焊接一导线。在PCB LAYOUT设计中，为了防止焊接或者其他因素引起的静电破坏设计，将上拉和ESD管都放在第二块PCB上(MCU在第二块PCB上)，将上拉电阻放在远离PCB2 MCU位置，将ESD管放在稍微靠近MCU的位置。

　　这样的设计，从原理上看已经考虑到了各种问题，但是该产品在产线组装过程中，偶尔发生与该导线连接的MCU管脚不能识别信号的情况。通过将对MCU分析得到该MCU管脚由于承受过高的电压冲击而产生损坏。

　　当我们发现这种情况后，于是对设计进行了稍微的调整，就是将ESD管放在距离MCU管脚最近的位置，同时更换了ESD管为低耐压的。然后在产线验证，该方法切实有效。

　　经过这样的事情，我深深的明白了电子产品设计过程中细心和经验的重要性，特别是ESD保护电路，并不是放置一个ESD管，保护下关键走线就能解决的问题。

　　下面我将我的经验和教训分享给广大网友。

　　首先、产品设计中出现了问题一定要进行解决，否则会给你设置个大绊脚石。

　　在产品前期设计过程中，曾经出现过一个这样的现象，由于数量不多就没有在意，以为是由于工人的操作原因引起的，但是到了产品少产或者大批量生产过程中，就将这个设计缺陷放大几十倍几百倍的暴露了出来。

　　其实、为了设计便利，ESD管选择双向导通。

　　我们做消费类电子产品中，经常使用到的元件为防ESD管：MCU关键管脚，关键信号，usb各个管脚，音频线等等都要使用。在之前的一个穿戴产品中使用到的ESD管多大22个。在产品贴片过程中，需要对元件的极性进行确认。这样，如果采用单向ESD管，假如由于没有发现这种问题，在产品完成后会由于二极管的单向道通性，使得经过ESD保护的信号线维持在0.7v左右，而影响产品功能。而如果采用的是双向ESD管，那么久不会出现这么累人的场面，并且，现在双向导通的ESD管成为市场的主流，价格也是白菜价。下面看下单向导通和双向导通ESD管的区别。

　　从上面的两个ESD特性的电压电流曲线可以看出，单向的ESD(图一)在正常使用中(逆向截至)状态下，当电压超过一定量时，电流会迅速增加，因此，我们在做ESD测试或者产品在静电环境下引入静电时，由于电流会迅速通过，而不会对我们的系统产生影响，而正向导通时，电流随着电压的增加而成指数增加，这与我们常见的二极管特性相同。如图二，双向的ESD在电路中不管如何使用，当电压超过一定数据时，电流都会迅速通过。

　　虽然我们知道了ESD管的作用只要是使产品经受ESD侵入时，能量迅速卸掉(多以电流的形式泄露至地)，那么我们对于这种管子有什么需要特别注意的呢?首先是ESD的关键参数。如下图是一个ESD的一些参数，我们来分析一下参数的意义。

　　Vpp通常是符合一定规范的激活脉冲电压，这个参数我们需要特别注意，当我们选择一个ESD管时，该参数要比产品要经受的静电电压稍微大点。假如产品需要承受±8Kv的静电，那么我们选需要±10Kv的管子。

　　Ppp参数决定这管子的能量泄露能力，P=UI，一般情况下，这个参数要大一点，这样ESD管能量的泄露能力会增强不少。

　　Ipp与Ppp成正相关，当导通电压一定时，Ipp越大Ppp就会越大。

　　稳定参数T，我们需要注意的是产品使用温度和结温度。产品使用温度决定产品能否满足产品规格书的使用环境温度，而结温度会影响ESD管泄露能量时是否会被烧掉。

　　崩溃电压，也就是ESD管被导通的电压，这个参数关系着ESD管保护产品的性能。

　　漏电流，不但ESD管需要注意漏电流，比我我们常见的mcu、LDO等都需要关注这个参数。对于消费类电子来说，锂电池的使用时间与产品的休眠电流，漏电流有着重要的关系。

　　下面聊聊ESD管参数之间的关系：

　　最小击穿电压和额定反向关断电压：ESD管依据击击穿电压的离散程度分为5%和10%两种规格，对于5%规格的ESD管，额定反向关断电压为最小击穿电压数值的0.85倍，而对于10%的ESD管，额定反向关断电压为最小击穿电压数值的0.81。

　　ESD管的额定脉冲功率是基于最大截至电压和在最大截至电压的脉冲峰值电流的出来的参数。针对不同的产品的ESD要求等级，选择不同等级的脉冲功率。正如我们理解的，随着该参数的增大，ESD管的抗浪涌能力越强，此外，该参数还与脉冲波形，持续时间和环境温度有关。

　　ESD管的电容量。产品中使用的ESD管通常等效为一个二极管和一个电容的并联关系。而电容对于数据信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成的噪声或者衰减信号强度，因此我们在选择ESD管的时候，要根据电路的回路特性来选择元件。通常的经验为在高频回路中选择电容值小的(一般小于3pF)元件，一般情况下，可以选择回路电容高的40pF的ESD管。