ESD防护基础知识:设计与仿真
你的下一个电子设备可能会被部署在一个暴露于高压或静电的地方。在这些情况下，应该通过测试和模拟来确定系统对ESD的脆弱性。还有一些组件可能需要保护系统免受ESD的影响，并确保系统能够承受高压脉冲。
在本文中，我们将介绍ESD保护的两个最基本方面:使用ESD保护组件和屏蔽。ESD组件是构建能够承受高压脉冲的系统的最常见途径，但在某些情况下，可以通过电路板或外壳上的屏蔽来提供额外的保护。
ESD保护元件是如何工作的
ESD保护可以通过系统中的特定组件或屏蔽连接来提供。最常见的方法是放置一个可以抑制ESD在电路中产生的电流/电压的组件。根据抑制元件在原理图中的位置，这些保护元件和电路有两种可能的工作方式:
- 该元件可以将高电压/大电流脉冲从易受伤害的元件转移到地。
- 该组件可以设计为吸收或承受ESD事件。最简单的例子是电阻器，它将脉冲转换为热量，尽管电阻器通常会从ESD脉冲烧毁。
市面上有许多ESD抑制选项，可用于针对可能暴露在ESD中的特定组件。这些措施可以提供几千伏的保护，脉冲时间低至纳秒。现在，我们将研究可用于防止ESD事件的常见ESD保护组件，尽管屏蔽和接地是保护系统防止ESD的两个重要元素。
电路保护二极管
最常见的电路保护装置是瞬态电压抑制(TVS)二极管。它们可以是双向(背靠背)二极管，也可以是单向的，电流只允许在一个方向上流动。一个齐纳二极管也可以用作ESD保护元件，它提供了一个等效的功能作为单向电视二极管。
双向 |
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单向 |
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下面的示意图示例显示了电路保护二极管的位置及其极性。因为这些二极管是非线性和整流的，它们只在一个方向上强传导。在它们放置在下面的电路中的位置，这些二极管是有效绝缘的，不会允许任何电流流过二极管。
当接收到ESD脉冲时，脉冲的高电压迅速驱动保护二极管进入反向偏置，直到反向击穿发生。二极管变得导电，现在在受保护元件的端子之间有短路。这将接收到的脉冲转移到地，并防止电流到达受保护的组件。
注意，这种保护机制要求被保护元件具有中高阻抗输入。对于大多数需要一些电路保护的组件来说，这通常是情况。请注意，许多集成电路可以内置一些ESD保护，通常在几千伏的量级上。如果需要更高级别的保护，那么应该添加这些二极管。
模拟系统中的ESD事件
ESD事件将脉冲注入系统的脆弱点，通常是系统暴露于外部环境的某些区域。如上所述，这通常是在连接器或外壳中任何暴露的金属元件附近，这两个点都是大放电事件可以将电流注入系统的点。如果您想模拟ESD事件及其对系统的影响，那么您需要猜测可能发生ESD事件的位置。
作为设计人员，这需要一点预先考虑，因为您需要知道哪些元素可能会暴露给用户，从而可能经历ESD事件。为了模拟ESD事件，您可以在电路中放置一个脉冲源并运行一个瞬态分析模拟。当输入脉冲电压幅值变化时，您可以在电路中生成结果，显示保护二极管如何转移脉冲并降低受保护组件所看到的电压。
使用Sigrity生成的示例结果显示了在信号跟踪中添加TVS二极管的效果。请注意，TVS二极管由于其非线性整流特性提供了显著的阻尼。
对于额外的ESD保护:添加屏蔽
一旦对系统进行了ESD事件测试，或者根据行业标准对系统进行了评估，就需要考虑是否需要额外的保护措施。静电放电最常见的原因是通过人的手放电，这可以通过摩擦带电积累静电。其结果是放电到设备中，如果不加以抑制，可能导致设备故障。
由于用户通常通过外壳与设备交互，因此探索通过外壳屏蔽集成ESD保护是有意义的。其中一项措施将提供额外的ESD保护RFI噪音在某些情况下)是添加到板或外壳的屏蔽。一些专门针对ESD的屏蔽选项有:
- 元件屏蔽罐
- 屏蔽罩
- 电磁干扰垫圈(用于非常大的外壳)
这些EMI衬垫可用于屏蔽外壳中的开口，并为外部环境中的ESD提供导电路径。
当ESD可以从外壳上暴露的金属位进入系统时，那么最好使用具有防静电功能的外壳机壳接地。金属化外壳可以用作系统中任何ESD脉冲或任何短路故障的安全接地。这将很好地将ESD注入的电流转移到一个大导体中，并将防止对PCB上的电子设备造成损害。确保任何屏蔽连接器和PCB上的安装元件与机箱接地的连接是低阻抗的。通常，用螺钉直接连接到机箱就足以提供ESD屏蔽。
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