手机ESD静电放电模型和分析.pdf

手机静电放电模型和分析手机静电放电模型和分析 ESD 部分相关知识部分相关知识 首先说结论 首先说结论 1 之所以我们在设计手机电路的时候之所以我们在设计手机电路的时候 总是尽量利用参考地来作为静电释放的通路总是尽量利用参考地来作为静电释放的通路 根本原根本原 因是参考地与外界的因是参考地与外界的 放电阻抗放电阻抗 很小 最容易与外界发生电荷转移很小 最容易与外界发生电荷转移 因为参考地平面很 大 覆盖很广 尖端多 和外界的等效接触很多 对比电路中的其他通路和许多元器件 在 无强带电体靠近时容易对外界释放电荷 而有强带电体靠近时则容易吸附电荷 这里的 外界定义为电中性 即不带电的所有物体的总和 一般可直接等效为大地 2 对于静电放电通路的考量对于静电放电通路的考量 不需要考虑电路系统中本身的电动势不需要考虑电路系统中本身的电动势 因为电路系统中的电动 势 或者说导线中的电场 是靠锂电池建立的 这个电场 对比局部积聚的静电荷所形成的 电场 可忽略不计 因此手机静电放电模型 不需要考虑其电路系统原本的电动势 也不从 传统的电压的角度去考虑 而是从电荷势能的角度去考虑 势能总是趋向于变小 所以对于 手机上积聚的高势能密集电荷团 这个势能是由于电荷团自身的相互排斥产生的 电荷团 自身总是有 扩散 到四面八方的趋势 而在 扩散 的过程中 电荷流动的速度和数量 就由各通路上的 放电阻抗 决定 类似并联电路中的电流分配关系 这个角度去分析的 其中一个好处就是不用考虑电荷的正负 注注 全文中提到的全文中提到的 放电阻抗放电阻抗 定义为定义为两物体之间阻碍静电电荷通过的能力两物体之间阻碍静电电荷通过的能力 即两物体即两物体 之间的放电阻抗越大 越不容易发生静电击穿放电 并且放电电流越小 这个放电阻抗由之间的放电阻抗越大 越不容易发生静电击穿放电 并且放电电流越小 这个放电阻抗由 释放电荷的物体释放电荷的物体 1 接受电荷的物体 接受电荷的物体 2 两物体间的介质 两物体间的介质 3 个因素决定个因素决定 接下来建模分析 该模型假设静电放电形式如下 电荷大量积聚 导致击穿放电路径的耦合电容 导致放电 路径的阻抗急剧变小 或者本来耦合电阻就十分小 导致瞬间大电流对电路造成的损害和 干扰 该模型只是一种简化模型 实际电路中的情况肯定复杂得多 但都可以基于这个模型去分 析 该模型中的电阻代表的是静电荷通过空气向外界慢慢释放时的放电阻抗 而模型中的电 容 一方面代表等效电容 另一方面代表静电荷击穿空气放电的情况 即等效为击穿电容 一旦电压足够高 击穿电容 放电路径的阻抗就会急剧变小 形成瞬间大电流 这个也是我 们主要去考虑的情形 图图 1 下面 以图 1 中红色层为信号线为例子进行分析 放电路径放电路径 1 即信号线与大地之间的通路 假设是由空气 手机外壳 其他不重要 人体 ESD 实验室中的耦合板 桌子椅子等等等等的物体构成的 放电路径放电路径 2 即参考地与大地之间的通路 假设是由空气 手机外壳 其他不重要 人体 ESD 实验室中的耦合板 桌子椅子等等等等的物体构成的 放电路径放电路径 3 即信号线与参考地之间的通路 假设是由电路之间的各种电子元件 部分 PCB 构成的 所以如果大量的电荷通过这条路径的话 会对电路造成不可预计的干扰 使我们设 计时需要规避的 按目前的设计规范 手机中的 3 条放电路径 放电路径 1 的放电阻抗远远大于放电路径 2 的放电阻抗 因为信号面的 折合等效 面积远远小于地平面 放电路径 3 的放电阻抗数 量级不好说 我想一般会远小于放电路径 2 所以 放电阻抗 放电阻抗 放电路径放电路径 1 放电路径放电路径 2 放电路径放电路径 3 假设初始手机为电中性 现在使用静电枪分别促使地平面 信号线积累大量电荷 情况情况 1 静电枪打在地平面上 静电枪打在地平面上 电荷直接从放电路径 2 跑掉 没有经过内部器件 必然不会造成影响 情况情况 2 静电枪打在信号线上 静电枪打在信号线上 电荷先通过放电路径 3 从信号线到达参考地平面 然后再从放电路径 2 到达大地 由于由电路之间的各种电子元件 部分 PCB 构成的 如果这个放电路径 2 上有一些敏感的 元器件 信号线 就会对电路造成影响 所以 如下图 2 在一些敏感的元器件和信号线上加 TVS 管 其实就是提供另外一条低阻抗 的放电路径 4 分走大部分通过放电路径 3 的电流 从而保护电路 并且同时钳住电压 防 止电压过高打坏器件 图图 2 综上所述 综上所述 1 电子设备中防 ESD 的本质就是 防止积聚的静电电荷在有电子元器件的路径中通过导致打 坏器件 以及防止静电电荷通过路径时导致的系统误操作 瞬间大电流会造成电位变化和磁瞬间大电流会造成电位变化和磁 场干扰场干扰 一般 可用 TVS 管钳住高位 防止电压过高 打坏器件 但是对于防止电位的变化 没有太 可靠的办法 只能加电容来缓解 这也是为什么许多 reset 信号常常要保持低电平几 ms 才 开始操作的原因 因为这个时间越长 抗 ESD 导致的电位误操作的能力就越强 2 这个参考地平面之所以可以作为良好的泄荷通路 其实和它是不是 参考地 无关 仅仅 和它在大多数情况下 是放电阻抗很小的通路这一点有关 因此 如果仅仅是针对因此 如果仅仅是针对 静电电荷不从器件和信号线上通过静电电荷不从器件和信号线上通过 这个目的 利用其他的电势这个目的 利用其他的电势 面 也可以达到同样效果 如电池正极的平面 或者某个信号线的平面 只要把他们按照面 也可以达到同样效果 如电池正极的平面 或者某个信号线的平面 只要把他们按照 平面很大 覆盖很广 尖端多 和外界的等效接触很多这样的规律去布板就行了 平面很大 覆盖很广 尖端多 和外界的等效接触很多这样的规律去布板就行了 但注意 这样的大平面应该只存在一个 否则如果存在多个这样的大平面 就可能会形成但注意 这样的大平面应该只存在一个 否则如果存在多个这样的大平面 就可能会形成 大平面大平面 大平面大平面 外界外界这样的低阻抗通路 而这样的低阻抗通路 而大平面大平面 大平面大平面这个通路上这个通路上 就就 可能有敏感器件 可能有敏感器件 但当然 在实际应用中 除非是负电源系统 否则是不会选电源正极去做成大平面的 因但当然 在实际应用中 除非是负电源系统 否则是不会选电源正极去做成大平面的 因 为电路中最大的平面必然是作为参考面的 并且一般定义为为电路中最大的平面必然是作为参考面的 并且一般定义为 0 势面 又因为这样的大平面势面 又因为这样的大平面 应只存在一个 这就决定了这个平面不能乱选 所以一般不是电源正极就是电源负极 应只存在一个 这就决定了这个平面不能乱选 所以一般不是电源正极就是电源负极 在在 这里只是再次强调 参考地平面之所以可以作为良好的泄荷通路 和它在自己的电路系统这里只是再次强调 参考地平面之所以可以作为良好的泄荷通路 和它在自己的电路系统 中的电势高低无关 中的电势高低无关 对常见的几种容易导致对常见的几种容易导致 ESD 隐患的情况的分析 隐患的情况的分析 情况情况 1 孤立的金属片容易导致 ESD 问题 是因为金属片的等效导体面积大 特别是那种尖端多的金 属片 容易积聚电荷 当积聚足够多后就容易击穿空气转嫁到附近的敏感信号线或者元器 件上 所以金属片最好能够接地 条件不允许的 附件的电路和元器件要尽量用参考地平面 保护好 包围 覆盖 弄多一些尖端结构 如过孔 面积尽量大一些 以让金属片放电时 能够把尽量多的电荷吸附过来 情况情况 2 对于非孤立的金属大平面 和电路的某个地方相连通 由于会和参考地平面形成金属 大平面 参考地平面 外界这样的低阻抗通路 而金属大平面 参考地平面这 个通路上 就可能有敏感器件 从而造成干扰 所以 应仅存在参考地平面这样一个容易吸 附和释放电荷的大平面 情况情况 3 对于一些 孤立 的地平面 即和理想地之间存在较大阻抗 电荷在上面流过时 会 造成瞬间的电位急剧变化 静电放电都是很大数量级的 从而造成 地弹 导致系统误操 作 所以 各个分离地平面之要和主地平面保持较好的连通性 疑问试答 疑问试答 1 ESD 实验实验桌面为什么要放置水平耦合板桌面为什么要放置水平耦合板 静电荷积聚在手机的某个部位后 由于初始电荷团密集 有很高的势能 所以电荷会有很强 的 扩散 到四面八方的趋势 在这个扩散过程中 如果大量的电荷快速通过某些敏感部位 就会造成电路系统误动作 耦合板其实就是为电荷的 扩散 提供一个良好的通路 估计搞 ESD 的人都知道 将手机孤立 在空气中打静电 手机时不容易出问题的 因为电荷没有 扩散 的通路 大部分电荷只是积 聚在手机上 并没有移动 加了耦合板就不一样了 手机上的静电荷都趋向于往耦合板扩散 对比孤立的情况 电荷的 移动会更有规律 从而更容易造成很大的瞬间电流 加耦合板一方面其实就是为了模拟最坏的情况 静电荷的扩散路径统一 另一方面就是加快 ESD 验证 假设在有耦合板的时候 做 ESD 实验 以 1 20 的概率出现一次问题 但如果