IEC61000-4-2 ESD测试标准解读及其案例分享
大家好，我是EE小新。
今天通过查阅资料，整理了一些关于ESD的资料，和大家分享。
1 ESD的测试标准解析
ESD静电放电测试通常根据IEC 61000-4-2进行。这个测试是确定外部的静电放电或由ESD产生的感应场、二次放电，是否会对产品产生影响。可能放电部位包括任何可接触的控制件、电缆连接器或其他可接触的金属件。
放电电压为±4KV、±8KV或±15KV，具体数值取决于产品的使用环境或实际使用。对于这种测试，几类性能判据可能是可接受的。性能判据的分类参考ESD标准IEC 61000-4-2，但受试产品的数据丢失、系统的重新启动或损坏通常认为是测试不合格。
在通常的测试中，ESD施加在EUT的不同点上，同时观察其性能是否发生变化。仅有导体会发生ESD，而对绝缘体或抗静电材料则不会。如果存在裸 露的金属，那么对此金属进行放电就会产生ESD。如果不能阻止ESD电流瞬态，那么就必须控制放电电流的路径。
如果能搞清楚放电电流的路径并对其进行改变，是一种更实际的解决办法。如果已知ESD电流的注入点，那么确定电流离开产品的最可能的点将是很有帮助的。由于涉及高频高达1GHz，放电电流的一些路径可能是通过电容而不是沿着导线。
在进行ESD电流的可能路径时，我们可以认为通过高频时-电容是短路的，导线是开路的，这样可以对电路的电流路径进行简化分析。
▲ 常见的ESD脉冲进入信号连接器的接地外壳 示意图
如图所示，常见的ESD进入点为I/O及信号连接器的外壳，比如USB、以太网或串口。除非这些连接器的外壳与产品的屏蔽壳体进行了很好的搭接，否则ESD电流将直接进入到PCB上，从而使电路受到干扰或损坏。
对于一些低成本的产品，由于没有使用成本较高的屏蔽壳体，因此也会产生问题。在这种情况下，一个好的办法是增加金属转移平面，这就将电流转移到电源的安全地回路或通过对地电容泄放到大地，再让电流路径返回其源端。
2 ESD静电放电的故障原因分析
在大多数情况下，各项试验的检测和诊断方式大同小异比如辐射发射。对于高频特性的ESD，这是因为从产品向外辐射的天线振子，比如电缆和外壳缝隙也能作为接收天线，将ESD产生的场传入产品，潜在地引起干扰，甚至使系统重启。
此外，如果I/O连接器没有与金属壳体进行好的搭接，由于电流尽力返回到产生它的源端。因此ESD电流能直接进入EUT，从而使电路受到干扰或损坏：
01、I/O连接器外壳和产品壳体之间的高阻抗搭接。
02、电缆屏蔽层和外壳或屏蔽壳体的搭接不好。
03、屏蔽面板与外壳或壳体之间的搭接不好。
04、显示屏LED/LCD存在大的缝隙。
05、I/O电缆或电源线电缆上的滤波不充分或瞬态保护器件使用不当。
06、关键电路处射频旁路不足，比如CPU的复位信号线。
因此，可以建立如下的等效电路工作模型：
▲ 等效电路工作模型
注意点：ESD能量从产品外壳泄放的过程中会形成静电场干扰，既有传导的路径还有辐射的路径；也因此会出现产品的失效情况。
3 常见的失效模式
ESD静电放电通常产生的问题如下：
01、系统重启
02、模拟或数字电路出现故障
03、显示屏上出现错误的数据及显示屏显示异常
04、数据丢失
05、数据传输停止、变慢或中断
06、高误码率
07、产品的状态发生改变
08、电路受到故障
4 故障诊断及优化方法
01、确保其与金属壳体进行了好的搭接。
02、检查可能会在连接器外壳和产品外壳之间产生阻抗的涂层或喷涂。
03、确保连接器的外壳都是紧固的，各组件之间具有低阻抗的路径。
04、确保产品外壳与保护地或ESD发生器的返回路径进行了正确的连接。
如果怀疑是电缆把ESD电流耦合给了产品及电路，这时推荐的故障诊断方法：
尽可能在接近产品连接器的电缆上加装铁氧体共模扼流圈。
在任何可疑的输入或输出端口处设计简单的低通RC滤波器，串联电阻的典型值为47～100Ω，与信号或电源返回路径之间的典型电容值为1～10nF。
I/O接口线上设计共模扼流圈。
数据线上设计TVS器件。TVS设计注意其选型设计规则和方法。
确保所有的壳体紧固件都是紧固的。
可使用铜带密封可疑的缝隙。
在泄漏缝隙和内部电路电子元器件之间增加附加的隔离。
在泄漏缝隙和内部电路之间增加内部屏蔽体，并将其与外壳地进行直接连接。
如果ESD通过键盘和按键进入，这时推荐的方法：
在按键和键盘的PCB之间增加内部屏蔽体并将其与外壳地进行直接连接。
在结构上设计的ESD静电放电的防护处理如下图所示。
▲ 按键在结构上的ESD设计示意图
5 典型的解决方法
▲ ESD故障示意图
串联设计：比如铁氧体磁珠、共模扼流圈和小阻值的串联电阻器。可用于阻止或减小电流脉冲。
并联设计：比如电容器件、反偏的二极管、火花隙或气体放电装置，当跨接在数据线上时，可将大部分的ESD电流转移至外壳平面或安全地。
对于高速数据线，可以使用的两种最佳技术为陶瓷ESD装置和硅ESD装置。陶瓷防护装置的电容值非常小，大约为0.05pF、耐压非常高且寿命长。
对于8KV的ESD脉冲，他们可将峰值电压限制到300V，钳位电压为40V。硅ESD装置的电容值稍大点，为0.25pF。其优点是具有非常快的开通时间，可将峰值电压限制在50V以内，钳位电压为8～10V。
对于没有金属壳体的产品或EUT，ESD抗扰度的设计值得关注。其设计方法：可以在会导致任何元器件出现敏感ESD电流路径上增加串联阻抗，以及在想让ESD电流离开产品的位置处增加低阻抗的转移路径。
通过软件设计也可能使产品对ESD产生固有的抗扰度：
01、不要使用无限的“等待”状态。
02、在适当的情况下，使用“看门狗”程序让EUT重启。
03、使用校验位、校验或纠错码，以防止存储损坏数据。
04、一定要确保所有的输入为锁存的和选通的；不能为浮点的。
6 电路的设计采用堵和导的方法
01、MCU控制芯片的电源和地的滤波设计
02、接口电路的电源滤波及信号电路的R,C滤波
03、驱动器I/O发送和接收端的电阻R,阻容RC的反射及串扰控制
04、PCB的信号回流和电源与地回流面积的控制；
7 PCB的ESD防护设计技巧
01、把干扰泄放到大地或者对地阻抗最小的点上；
02、减小干扰进入PCB内部电路的能量；
03、增加被 干扰电路的高频阻抗；
04、对敏感的器件或电路进行防护；
05、加强绝缘击穿距离；
注意：当静电放电ESD干扰信号通过耦合方式到达电路板内部的时候，如下图所示：
注意：PCB的设计地走线，地回路，接地点的位置设计也是解决抗扰度ESD设计最关键的设计方法与思路。
下面通过几个实例来和大家一起分享下。
