静电之白话阐述以及GcDiode应用汇总

　　引言

　　本文从通俗易懂的角度出发，详细阐述了静电的相关知识和防护手段，通过几个实际来和大家分享笔者对于静电防护的经验。

　　正文

　　首先，我们平常所说的静电到底是怎么一回事呢？其实很简单，说白了，就是一个放电过程。举个例子，当你穿着腈纶之类的衣服时，衣服通过摩擦，在你身上累积了电荷，这个时候你是感觉不到静电的。但是当你去摸一个金属物体的时候，因为存在电位差，你身上累积的静电电荷就会迅速的释放出去，形成放电。所以本质上来说，不是物体电到你，其实是你电到了这个物体，只不过在这个过程中，感受到刺痛的是你而已。在这个过程中，人体相当于一个电容，起到了储存电荷，然后释放电荷，形成静电放电的一个过程。这是静电放电的其中一种现象。另外，常见的静电产生方式还有设备和器件的磨擦以及电场感应产生。这也是有人体模型，机器模型，元件放电模型，及电场模型的原因。

　　静电就像洪水，大坝可以堵住，但终还是需要有很好的泄洪措施，如果措施不到位，肆无忌惮的洪水就会危及到周边的村庄和居民。由此来看电子产品，道理是一样的，不管静电来自于何处，一旦这么大能量的静电传导到电子产品上，就必然需要找到宣泄的途径，请大家记住，静电是肯定要往电阻的地方去的。所以人机接触界面，例如USB口这样的外露金属，其实就和内部PCB板的大地是连接的。源端的静电，在触碰电子产品，接触到这些外露接口之后，基本就直接进入电子产品的大地。鉴于此，IEC-61000-4-2的测试基本上都是针对人机接触界面或金属外露部分或有缝隙的地方来进行测试。这也是IEC-61000-4-2的测试标准和我们防静电器件具体保护方位的相悖之处，IEC的这个标准直接就考验广大研发人员对于信号走线以及大地的布局能力了，另外还需要机构研发人员协同解决静电问题。如果静电直接打到信号线上去（有些公司测试时会这么做），那信号线上就需要并联静电保护器件来做防护了。此器件可以对静电进行钳制，继而将能量引导到大地上去。所以，一个电子产品静电防护能力到底如何，归根结底还是要看它的大地做的如何，静电能量是不是能够很迅速的泄放掉。我们期望的结果就是静电传导到大地上之后，能够有如泥牛入海，不见踪迹，那么这个电子产品的静电防护就到位了。相反，一旦静电能量不能及时得到泄放，那么它将会“迁怒”于临近的IC甚至整个电子产品。静电可能会通过一些接地电阻，或接地电容或者是IC的接地PIN，耦合到IC上去或者是直接传导到IC上去，造成IC假死，机器重启，甚至是IC被打坏，产品出现故障。所以加静电保护器件是一种静电防护的辅助手段，真正考验电子产品防静电能力或者说考验工程师的研发能力的关键是大地以及机构究竟做的如何，如果大地和机构实在没办法防护到位（比如电表，不允许用铁壳），那么加静电保护器件就变成静电防护的手段了。

　　一般来说，静电的强弱和周围的环境以及产生的介质有关，比如空气湿度越小，静电就会越强；偏正性物质与偏负性物质相互摩擦之后产生的静电偏强。静电对电子产品的危害大致有三类，一是会吸附灰尘，缩短产品寿命；二是常见的静电放电；三是产生电磁干扰，使电子产品运行中断。如今半导体行业的日新月异使IC更细小精密，更复杂，但同时也致使其对静电更加敏感，更难防护。

　　客户进行静电测试的时候，一般会参考IEC61000-4-2的标准，主要是做接触放电（针对导电表面和耦合表面，比如USB口这些人机接触界面等）以及空气放电（对绝缘表面的缝隙处）；另外就是间接测试，中间会隔一块耦合板，来测试静电干扰，这个测试比较少。各行业或者各客户对于测试等级有自己的要求，但一般不会超出IEC61000-4-2的标准。按照标准IEC 61000-4-2:1999的ESD测试方法，国家军标GJB 1649－93要求电子组件和设备的设计应能为敏感的ESD元器件提供ESD保护，其要求为：

　　组件－－2KV

　　设备－－4KV

　　具体涉及到静电的防护，主要有以下一些方法：

　　工厂内严格控制温度湿度，厂内铺设防静电地垫或刷防静电漆，设置离子风机，操作人员穿戴防静电衣帽，手腕佩戴防静电环；

　　产品的包装和运输环节都要采取防静电措施；

　　在产品成品的设计阶段，可以贴防静电膜，裹导电布或者涂静电屏蔽漆，机构上尽量采用金属壳；

　　在电路板设计阶段，可以通过layout来修改大地，修改走线来改善，另外就是加静电保护器来防护。

　　那么市面上究竟有哪些这样的器件呢？

　　首先，是传统的高端产品，TVS，半导体工艺，价格高，箝压性能好，漏电流较大，容值普遍较大，耐冲击，它属于传导元件，一般应用在要求高，成本考量不是很重要的场合或部位。

　　其次，是传统的低端产品，MLV，价格低廉，箝压性能差，漏电流较大，容值普遍较大，不耐冲击，它属于吸能元件，一般应用在要求较低，成本压缩的较厉害的场合或部位；

　　接下来，是高分子聚合物做的PESD，价格高，箝压性能很差，漏电流极小，容值极小，非常不耐冲击，它属于吸能元件，一般应用在容值要求较高，箝压要求较低，不考虑成本的场合或部位；

　　，目前市场上出现了一种玻璃陶瓷工艺研发生产的GcDiode，摒弃以上传统工艺，是有别于以上三类产品的静电保护器件，价格较低，箝压性能好，漏电流极小，容值极小，极耐冲击，它属于传导元件，一般应用在要求较高，冲击次数要求很高，成本考量较严格的场合和部位。

　　上述单通道器件的使用都很简单，一般直接并联在想保护的线路上就可以了，原则上靠近静电端，并尽量缩短下地的路程。

　　以下给出一些实际应用：

　　1.某机顶盒客户，在实际测试中，有两个机种打静电不合格，测试等级为接触放电6KV和8KV，现象为重启。

　　现场测试和解决时，A机种加大加粗地线，测试通过；B机种，电源进口处，打静电出现重启，拆开机器，发现电源线并行，猜测会引起耦合现象，于是将电源线转两圈，成螺旋状，以消除耦合，再次进行测试，此处静电测试通过。

　　2.某手机客户，USB口打接触放电6KV不能通过测试，机器故障现象为假死或重启，解决方案为在D+和D-信号线上各并联一颗静电保护器，测试通过。

　　3.某网关客户：

　　USB口D+和D-信号各使用一颗静电保护器。

　　分别对USB接口进行了10 次+/-8KV 静电冲击，连接电脑，检验软件运行正常，接入U 盘后，软件数据显示正常，测试通过。

　　4.某路由器客户：

　　USB口能够过接触4KV以下的测试，4KV以上包括4KV会重启。

　　在研究过板子之后，将路由器的USB地线进行修改，将两地线脚之间用导线另外联通，然后下地的线加粗，测试通过。后续客户参考这个思路改进了LAYOUT。

　　5. 某服务器客户：

　　用螺丝刀或金属导体触碰机箱即会发生重起或死机现象。

　　PS/2 四条信号线在背板各加180pF电容下地，抗静电能力提高2~4KV，满足客户要求。

　　6. 某儿童阅读笔客户：

　　测试中用接触放电4KV打击大地，出现掉电。经过排查，PWR-CTL信号后的三极管下地端承受了外界打来的静电，管子通路，形成高电压，与原先的低电平开机条件出现冲突，系统掉电。先在地线上串联磁珠，没有效果；之后在信号端并联静电保护器，测试通过；另外在地线上做了RC电路，也能够承受10次左右的静电打击。

　　7.客户在测试当中会遇到一个现象，可能不少读者也许也遇到过，并且会感到很头疼，那就是打正负静电的现象区别。具体表现在一个产品，怎么打正静电都不会有事，而一打负静电或者一放电，就会出现死机等故障现象。关于这个现象，先来解释一下：打正静电的时候，电荷由静电枪的枪尖释放出去，往板子上电阻相对较低的几个路径蔓延出去，这个属于一对多的分散路径；打负静电的时候，与正静电相反，各电阻相对较低的几个路径上的电荷就汇集到静电枪的枪尖上来了，这是一个多对一的汇集路径。这样看来，出现不一样的现象也就情有可原了。至于如何去解，笔者目前也没找到特别好的办法，只能从机构，大地，和静电保护器上同时来动脑筋了。

　　结束语

　　总之，静电防护不是那么简单的事，正因为静电的无迹可寻，所以防静电的设计以及解决静电相关的BUG就显得比较困难。我们可以寻求多种方案来解决静电，但总的原则还是泄放静电，耗散静电能量，围绕这个原则，静电问题相对而言，一定程度上还是可以有规律的去解决的。