ESD电流路径的分析

好像任何一个行业的EMC都离不开ESD测试，ESD问题排查中，最重要最难的无疑是静电路径问题了。本次就和大伙稍微探讨下ESD电流路径的分析，哪怕在为大家排查静电问题的时候提供一丝丝有益的思路，我就觉得没有白写。

静电波形

在试验室，通常使用电容加电阻的方式来模拟人体或其他金属尖端的静电效应，由于不同行业可能有不同的放电模型要求。本人仅从汽车电子的角度来分析静电放电模型（消费电子好像是同一个模型？因为这两行业最重要的静电源头都来自于人体放电），汽车电子的放电模型在IEC 61000-4-2中有明确规定，放电模型决定了静电放电电流波形，IEC中的静电放电波形如下图所示。

静电电流频谱分布

实际上静电放电效应可以简单的认为电容通过电阻放电的效应。都是在前段极短的时间内上升到高点，后慢慢减小。上升时间大概为1ns，持续大约为60ns。该波形确实可以通过数学公式进行标明，但是比较复杂，本文只注重结果，所有不进行表述。该数学公式可以通过傅里叶变换得到静电电流的频谱。如下图所示。

可见，静电最大的能量还是集中在直流分量上面。频谱分布从直流到1GHz，因此静电的电路路径会比较复杂。从传导到辐射，都有。但是静电99%的能量都集中在300MHz之前。因此，对于过高频率的路径我们可以忽略不计，将注意力集中在分析300MHz带宽的路径上面。大部分的汽车电子产品在进行静电放电测试时，都是通过电源负极对静电电流进行回流（通过金属外壳回流的一般风险也比较小，本文不阐述）。正是因为静电的电流频谱很宽，因此，要完全把握静电电流的路径非常困难，一般要借助二维场求解器。

但是在设计前期，必须要考虑到所有静电放电点到电源负极的直流路径，为静电的直流分量提供一条低阻抗的路径，避免该直流分量引起共阻抗耦合的风险！！另外在静电风险比较高的走线，必须在板内放置滤波电容，1nF的贴片电容是比较合适的值（因为谐振点在300MHz左右，对于静电整个频段都有较好的滤波效果）。还有，对于静电电流产生的辐射场导致的问题，非常难于把控，我自己也无法准确说出该类问题的辐射源头。但是基本上是由于高频分量路径过长导致。

仿真和芯片静电等级

另外，产品的静电风险是比较容易进行仿真的一个项目，我们只要仿真出放电点到预设泄放安全点的阻抗-频率曲线和放电点到被害点（敏感芯片管脚或信号）的阻抗-频率曲线，这两个阻抗进行比较，就能够得出到达被害点的静电能量，以评估该放电点的风险。这个仿真还是比较准确，比较有设计参考意义的。建议静电设计有难度的产品进行开展。当然，当产品已经设计出来之后，也可以使用网分或阻抗分析仪对放电点和泄放点之间进行测试，如满足一定的阻抗-频率曲线（每个公司都有该曲线的不同理解，需要根据产品情况进行进行约束），则该放电点的静电风险很低。

最后，需要注意的是芯片的datasheet中一般会指出该芯片能够满足的静电放电等级，一般标明的是HBM（人体放电模型）和CDM（带电体放电模型），这两个模型都是为了衡量芯片在生产和运输过程中可能遇到的ESD风险，不适用于产品在日常使用过程中可能遇到的静电问题。这两个模型和IEC中的模型是不同的。但是基本上可以将IEC的模型认为是HBM模型和CDM模型的叠加。因此，芯片上标明的ESD等级不能够等同试验中测试的等级，IEC的模型是更加严酷的。

审核编辑：汤梓红