可充分发挥ESD保护元件性能的电路设计 | 静电的可视化

贴片压敏电阻/陶瓷瞬时电压抑制器

TDK的多层贴片式压敏电阻产品阵容齐全，可保护设备因受ESD（静电放电）影响而引发的故障和误动作，能帮助客户有效解决ESD问题。但随着用户设备的小型化、轻量化和高功能化，以前效果出众的多层贴片式压敏电阻产品也出现了无法充分发挥保护效果的情况。
为了查明原因，我们以客户设备的小型化为前提进行了ESD测试，下面将为大家做详细介绍。

背景

5G技术的发展实现了设备之间的相互协作和实时通信，也对设备的设计提出了更高的要求，比如更小、更轻、更低功耗、更高功能、长期运行、高可靠性、更高的EMC耐受能力等等。
相比于大型设备（如汽车、工业设备，医疗设备等）的PCB和机壳设计，智能手机、VR、无人机等小型移动设备的PCB尺寸小，ESD更容易侵入，而且用于ESD消除的GND地线和机壳的设计往往不稳定，是很难采取ESD对策的设备之一。
针对电压保护应用，TDK可提供非常齐全的压敏电阻（氧化锌）和防雷（放电管）产品，能满足各种电流大小的应用。
本文中介绍的ESD测试使用如下产品图中所示的专用贴片式压敏电阻。点击产品可以查看详情。

实验概述

概述视频1

【实验目的】: 利用ESD可视化装置观测施加于PCB的静电电流在ESD保护器件的作用下被引向GND地线并消除的过程。
【假设情境】: ・设备趋于小型化，PCB尺寸无法扩大。; ・GND地线尺寸的大小受限制。; ・PCB的GND地线未与金属机壳连接。

【实验对比条件】

【实验中使用的PCB】: 材质：FR4
设计：双层线路板
厚度：1.6mm
Cu厚度：40um

ESD可视化设备

ESD可视化设备是一种通过用非接触磁场探针自动扫描ESD电流来实现ESD电流可视化的设备。

PCB的GND地线设计

本实验中使用双面电路板（正面：信号线，背面：GND地线，正面的GND地线通过Via连接到背面的GND地线）。
背面的GND地线有两种不同的尺寸：（1）窄地线（10x20mm）和（2）宽地线（85x50mm）。

实验 - 设置

将贴片式压敏电阻配置到PCB正面的信号线和GND地线之间。GND地线与金属机壳和大地不相连。
在此状态下，对信号线按照IEC61000-4-2要求施加ESD 1kV。

实验 - 测量结果

当GND地线较窄时，ESD将绕过压敏电阻，扩散到信号线。而当GND地线较宽时，ESD会被贴片式压敏电阻吸收并引向GND地线。这是由GND地线相对于信号线的阻抗大小决定的。GND地线较窄时，GND地线的阻抗较大，因此ESD无法流向贴片式压敏电阻。

实验 - GND地线尺寸与阻抗值的相关性

实验 - ESD对策方法的改善

如果由于GND地线较窄导致相对阻抗高，可通过将GND地线连接到金属机壳来降低GND地线整体的阻抗，从而能够充分发挥出贴片压敏电阻的静电保护效果。

MLCC的效果：由于MLCC 0.1uF对于ESD表现为低阻抗特性，因此将GND地线和金属机壳如下图所示通过MLCC连接后，GND地线整体（包括通过MLCC连接的金属机壳）都表现为低阻抗。这样，无论GND地线的尺寸大小如何，ESD都会被贴片式压敏电阻吸收并引向GND地线释放。

✔ ESD被贴片式压敏吸收并引向GND地线释放。

实验结果总结

GND地线不与金属机壳和大地相接时的ESD对策: 在小型电子设备和移动设备中，电路的GND地线通常被设计为与金属机壳和大地不相接。在这种情况下，可通过尽量拓宽GND地线的尺寸，以发挥贴片式压敏电阻等ESD保护器件的性能。但若无法拓宽GND地线则可能无法获得令人满意的ESD抑制效果，ESD有侵入电路的风险。
通过修改设备机壳和GND地线的设计，或许能重新发挥ESD保护元件的性能。
降低采用ESD保护器件的GND地线的整体阻抗，能实现更有效的ESD对策。

ESD故障的调试

使用示波器和衰减器测量信号线的ESD: 在与实验1相同的设置下，使用示波器和衰减器替代ESD可视化设备确认ESD情况。

✔ 无论GND地线尺寸大小如何，ESD都没有流过贴片式压敏电阻，而是被衰减器（50Ω）一侧的接地吸收。(无法像参考波形那样，确认贴片式压敏电阻对ESD电压的抑制波形。)
✔ 在前面的实验中，当GND地线较宽时，证实ESD可通过贴片式压敏电阻流向GND接地侧；而在用示波器确认波形时，无论GND地线的大小如何，都无法确认到贴片式压敏电阻抑制ESD的波形。
✔ 用于确认ESD波形的测量系统的连接不同，会导致ESD在PCB上扩散的情况也不同。

在ESD故障调试时，如果通过连接探针或衰减器来检查波形，因测量系统的不同，可能会影响ESD的路径，需要注意。
ESD可视化设备无需连接探针等组件，可进行非接触式测量。