计算机的内部组件如何进行ESD防护？

电子产品设计中必须遵循抗静电释放(ESD)的设计规则，因为大多数电子产品在生命周期内99%的时间内都会直接暴露在ESD环境中，ESD干扰会导致设备锁死、复位、数据丢失或可靠性下降。

对于电子产品来说，如果ESD没有设计好，常常会造成电子设备运行不稳定，甚至损坏，所以工程师们需要考虑设计中的ESD问题，并掌握基本的解决之道。

鉴于此，今天工程师小何就和大家谈谈在PCB设计中，如何提高PCBA（即电路板）的ESD防护的方法。

小提示：关于ESD原理、模型方面，下面链接文章写的很清楚，大家可以点击查看~~~

ESD(静电放电)原理、模型及防护

一、ESD三要素

ESD产生的三要素是干扰源、耦合路径和敏感设备，这三个要素中缺少其中的任何一个，都不会产生ESD问题。在PCB设计中，ESD的防护主要考虑的是ESD防护器件的布局及布线处理，以消除前述所说的ESD三要素中的其中一个或几个。

何为干扰源、耦合路径和敏感设备？

干扰源：产生ESD干扰的元器件、电子设备、系统或者自然干扰源；
耦合路径：使能量从干扰源耦合（或者传输）到敏感设备上，并使敏感设备产生响应的媒介；
敏感设备：对ESD干扰产生响应的设备，敏感设备可以是一个很小的元器件或者是某个电路模块，甚至是一个大系统；

ESD 三要素

二、PCB设计中的ESD防护

在进行PCB设计时，要考虑ESD的防护，PCB布局和布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在增强PCB板ESD防护方面，我们主要分类成两部分讨论。第一，PCB布局走线方面；第二，结构接口方面。

在PCB布局走线方面，有以下几点：

1、在添加ESD防护器件的位置，尽量不要走关键信号线；

2、将敏感信号（如时钟、复位信号等）电路远离PCB边缘布局，防止因静电瞬间干扰造成了芯片的异常复位，当PCB是由多层板构成时，敏感信号要用地线保护，并尽量远离PCB边缘；

3、加大地的泄放面积，在进行铺铜处理时，要保证铺铜均匀，保持对地阻抗不变；

4、把对静电比较敏感的元器件，比如CPU等芯片，放置在离ESD放电源头比较远的地方。这样确保在打静电时，可能的介入点离敏感的元器件的距离比较远，将受到的干扰影响降低到最小，经验表明，8kv左右的静电经过5mm的距离后可完全衰减；

5、在PCB板边四周放置环形的地网络，每一层都添加，环形线的宽度为2.5mm以上，并以过孔将不同层的地网络等距离连接起来，过孔间距为13mm。需要注意的是，这个环形走线不要形成闭环的，否则形成了闭环的网络会造成天线效应，带来辐射方面的影响，因此，环形的绘制中注意留一个缝隙，缝隙间距大于0.5mm；

6、把静电防护元器件（TVS管、LC滤波器、铁氧磁珠、高压电容等）放在板间接口等保护位置，因为接口是ESD的入口，在最近的地方放置防护器件，效果较好，而且能降低给其他地方的电路带来自身的自感、耦合等干扰；

7、如果是多层板，尽量保证有一个完整的地网络层，保证重要信号能与地有效的耦合，这样能使ESD电流顺利耦合到低阻抗的额地平面，保护了关键信号，同时也减小了回路路径长度；

8、根据ESD的防护需求，结构允许情况下，适当增加屏蔽罩也是一个不错的方案。

在结构接口方面，有以下几点：

1、一般防雷保护器件的顺序是压敏电阻、熔丝、抑制二极管、EMI器件、电感或共模电感，对于原理图缺失上面任意器件则顺延布局；

2、一般对接口信号的保护器件的顺序是：ESD(TVS管)、隔离变压器、共模电感、电容、电阻，对于原理图缺失上面任意器件顺延布局，严格按照原理图的顺序（要有判断原理图是否正确的能力）进行“一字型”布局；

3、电平变换芯片（如RS232）靠近连接器(如串口)放置；

4、易受ESD干扰的器件，如NMOS、 CMOS器件等，尽量远离易受ESD干扰的区域（如单板的边缘区域；

5、接口保护器件应尽量靠近接口放置，且固定孔要连接到整机信号地上。

三、总结

ESD的设计学问太深了，作为大部分时间在研究射频的我，无法给再大家做更深入的研究。在这里也只是抛砖引玉给大家科普一下了，基本上ESD的方案有如下几种：电阻分压、二极管、MOS、寄生BJT、SCR(PNPN structure)等几种方法。

当然，术业专攻，学无止境，工作中只有不断学习才会创收更高效益。总之，ESD虽然可怕，甚至会带来严重后果，但是，只要工程师在PCB走线布局和结构接口方面做好防护措施，那么就能有效的进行ESD的防护。

一、ESD三要素

ESD产生的三要素是干扰源、耦合路径和敏感设备，这三个要素中缺少其中的任何一个，都不会产生ESD问题。在PCB设计中，ESD的防护主要考虑的是ESD防护器件的布局及布线处理，以消除前述所说的ESD三要素中的其中一个或几个。

何为干扰源、耦合路径和敏感设备？

干扰源：产生ESD干扰的元器件、电子设备、系统或者自然干扰源；
耦合路径：使能量从干扰源耦合（或者传输）到敏感设备上，并使敏感设备产生响应的媒介；
敏感设备：对ESD干扰产生响应的设备，敏感设备可以是一个很小的元器件或者是某个电路模块，甚至是一个大系统；

ESD 三要素

二、PCB设计中的ESD防护

在进行PCB设计时，要考虑ESD的防护，PCB布局和布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在增强PCB板ESD防护方面，我们主要分类成两部分讨论。第一，PCB布局走线方面；第二，结构接口方面。

在PCB布局走线方面，有以下几点：

1、在添加ESD防护器件的位置，尽量不要走关键信号线；

2、将敏感信号（如时钟、复位信号等）电路远离PCB边缘布局，防止因静电瞬间干扰造成了芯片的异常复位，当PCB是由多层板构成时，敏感信号要用地线保护，并尽量远离PCB边缘；

3、加大地的泄放面积，在进行铺铜处理时，要保证铺铜均匀，保持对地阻抗不变；

4、把对静电比较敏感的元器件，比如CPU等芯片，放置在离ESD放电源头比较远的地方。这样确保在打静电时，可能的介入点离敏感的元器件的距离比较远，将受到的干扰影响降低到最小，经验表明，8kv左右的静电经过5mm的距离后可完全衰减；

5、在PCB板边四周放置环形的地网络，每一层都添加，环形线的宽度为2.5mm以上，并以过孔将不同层的地网络等距离连接起来，过孔间距为13mm。需要注意的是，这个环形走线不要形成闭环的，否则形成了闭环的网络会造成天线效应，带来辐射方面的影响，因此，环形的绘制中注意留一个缝隙，缝隙间距大于0.5mm；

6、把静电防护元器件（TVS管、LC滤波器、铁氧磁珠、高压电容等）放在板间接口等保护位置，因为接口是ESD的入口，在最近的地方放置防护器件，效果较好，而且能降低给其他地方的电路带来自身的自感、耦合等干扰；

7、如果是多层板，尽量保证有一个完整的地网络层，保证重要信号能与地

ESD是Electro Static Discharge英文的缩写，中文含义即静电放电：处于不同电位的两个物体之间，由于直接接触或静电场感应导致的电荷传输（转移）。可见，静电与静电放电（ESD）是完全不同的物理概念或物理过程。一个是“静”，一个是“动”。 伴随着静电放电，往往有电量的转移、电流的产生和电磁场辐射。

1何为静电

静电是物体表面过剩或不足的静止电荷。

1.静电是一种电能，它留存物体表面。

静电是正电荷 和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；

静电是通过电子或离子转移而形成的。

2.静电现象是电荷的产生和消失的过程中产生的电现象的总称。

2静电放电三要素

Q+M+D=ESD

Q：一定积累的静电荷。

M：放电途径，如金属接触、对地或低阻的泄放途径。

D：静电敏感器件。

3静电产生原理

电子围绕原子核运动,一有外力即脱离轨道,离开原来的原子而侵入其他的原子。

外力包含各种能量, 如动能,位能,热能,化学能,电磁能等。

A原子因缺少电子数而带有正电现象, 称为阳离子。

B原子因增加电子数而带有负电现象, 称为阴离子。

4静电在电子工业中的危害

1.静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。

2.静电放电破坏，使元件受损不能正常工作：静电放电时当放电电流过大(瞬时大电流可达几十A), 产生过高热能, 将会击穿元件。

三种击穿现象：

热击穿：P-N破坏；

介电击穿: 氧化层的破坏；

金属汽化: 金属线被汽化而开路。

3.静电放电辐射的电磁场幅度很大（可达几百V/m）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏。

5ESD测试标准

目前IEC 61000-4-2看作是 ESD 测试的事实标准。我国的国家标准（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。

常用消费类的测试采用接触4KV和空气8KV，某些高标准行业如车载类，会采用8KV和空气15KV。

6电路级ESD防护标准

1.并联放电器件

常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。
齐纳二极管（ Zener Diodes） ： 利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。但是齐纳二极管通常有几十 pF 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。

瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)： TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和 ESD所引起的高瞬态电流。TVS也会有结电容，通常0.3个pF到几十个pF。TVS有单极性的和双极性的，使用时要注意。

压敏电阻：压敏电阻也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系，截止电压可达最初中止电压的 2 ～ 3倍。这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护，如电源回路，按键输入端等。压敏电阻价格比TVS低不少，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。