静电防护设计
随着科学技术的飞速发展，微电子技术的广泛应用以及电磁环境的日益复杂，静电放电的电磁兼容性（EMC）问题已成为电子产品设计中必须解决的问题。ESD（静电放电）对电子产品造成的损坏有两类：突发性损坏和潜在性损坏。所谓突发性损坏是指器件的严重损坏，功能丧失。这种损坏通常可以在生产过程中的质量检查中发现，因此对于工厂来说，主要的成本就是返工和维修；而潜在性损坏是指器件的部分损坏，功能尚未丧失，在生产过程的检查中无法发现，但在使用过程中会使产品不稳定，对产品质量造成较大的危害。在这两类损坏中，潜在性失效占90%，突发性失效仅占10%。也就是说，90%的静电损坏是无法检测出来的，只有到了用户手中才会发现。我们常用的手机等电子产品经常出现的死机、自动关机、通话音质差、噪音大、信号时断时续、按键错误等问题，大部分都和静电损坏有关。正因如此，静电放电被认为是电子产品质量最大的潜在杀手，静电防护也成为电子产品质量控制的重要环节。国内外品牌手机在使用过程中稳定性的差异，也基本体现了它们在产品静电防护和防静电设计方面的差异。
ESD的主要破坏机理有：ESD电流产生热量导致设备热故障；ESD感应过大电压导致绝缘击穿；吸附灰尘，降低元器件绝缘电阻（缩短寿命）；静电放电产生的电磁场幅值（EMI）很大，不但影响自身设备，还可能干扰其他设备。一台设备中可能同时出现多种破坏，例如绝缘击穿可能激发出大电流，进一步导致热故障。静电放电除了容易造成电路损坏外，还非常容易对电子电路进行干扰。静电放电对电子电路的干扰有两种方式：一是传导干扰，二是辐射干扰。
先说一下电子产品的结构及其ESD问题。众所周知，各种电子产品的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高，都配备了一些人机交互的接口，因此就存在着人体静电放电的ESD问题。一般电子产品中需要ESD防护的部位有：USB接口、HDMI接口、数据接口、天线接口、显示器接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机等数据传输接口。
如果把释放出来的静电看作是一场洪流，那么主要的解决办法也类似治洪，也就是“堵”和“排”。一是采用“堵”的方法，尽量增加外壳的厚度，也就是增加外壳与电路板的距离，或者通过一些等效的方法增加外壳气隙的距离，这样就可以避免或者有效降低ESD的能量强度。通过结构上的改进，增加外壳与内部电路的距离，可以大大削弱ESD的能量。根据经验电子产品防静电包装设计，8kV的ESD能量一般在4mm的距离后就衰减为零。二是采用“排”的方法，可以在外壳内部喷涂EMI漆。EMI漆具有导电性，可以看作是金属屏蔽层，这样就可以把静电引导到外壳上；再将外壳与PCB的地连接，把静电引导离地。这种处理方法除了可以防止静电外，还可以有效抑制EMI干扰。如果有足够的空间，也可以使用金属屏蔽罩来保护里面的电路，然后将金属屏蔽罩连接到PCB的GND。
另外，产品的PCB设计也至关重要。如今很多电子产品的PCB多为高密度电路板，设计时必须考虑性能与面积的平衡。一方面，面积越大，放置元器件的空间就越大，同时走线的线宽、线距越宽，EMI、音频、ESD等各方面性能就越好；另一方面，电子产品的紧凑化设计是一种趋势，也是一种需要。因此，设计时需要找到一个平衡点。就ESD问题而言，设计中需要注意的地方很多，尤其是GND走线、线距的设计至关重要。有些产品ESD问题很大，一直没找到原因电子产品防静电包装设计，只能通过反复的测试、实验，才追溯到PCB设计上的问题。为此，笔者总结了PCB设计中应该注意的重点，以供参考：
（1）PCB板边缘（包括过孔边界）与其他布线的距离应大于0.3mm；
（2）最好用GND走线包围PCB的所有边缘；
（3）GND与其他走线之间应保持0.2mm~0.3mm之间的距离；
（4）Vcc与其它走线保持0.2mm~0.3mm的距离；
（5）Reset、Clock等重要线与其他走线距离应大于0.3mm；
（6）大功率线与其它布线的距离应保持在0.2mm至0.3mm;
（7）不同层的GND应通过尽可能多的过孔（VIa）连接；
（8）铺装地板时，尽量避免尖角，尽量使其平整。
虽然在外壳和PCB设计时对ESD问题进行了专门处理，但ESD不可避免地会进入产品的内部电路，特别是以下端口：USB端口、HDMI端口、端口、天线端口、显示端口、DVI端口、按键电路、SIM卡、耳机等数据传输端口。这些端口很可能将人体的静电引入内部电路。因此，需要在这些端口使用ESD防护器件。
以往设计中采用的静电防护器件多为压敏电阻或TVS器件，这些器件的共同缺点是响应速度慢、泄放电压不准确、极间电容大、寿命短、反复使用后电气性能会变差。目前业界普遍采用专业的“静电抑制器”来替代以前的静电防护器件。“静电抑制器”是专业解决静电问题的产品，其内部结构和工作原理比其他产品更加科学、专业。它采用高分子材料制作，内部菱形分子呈规则离散状排列，当静电电压超过器件的触发电压时，内部分子迅速产生端对端放电，瞬间将静电泄放到地。其最大的特点是响应速度快（0.5ns~1ns）、极低的极间电容（0.05pf~3pf）、极小的漏电流（1μA），非常适合各类接口的静电防护。
由于ESD抑制器具有体积小（0603、0402）、无极性、响应速度快等优点，目前设计中越来越多地采用ESD抑制器作为保护器件。使用时应注意以下几点：
1.将设备尽量靠近需要防护的端口；
2.确保本设备到GND的连接尽可能短；
3.GND连接的面积尽量大。
综上所述，电子产品的静电防护需要从多方面进行设计。首先，尽量防止ESD进入外壳，尽量减少进入外壳的能量；其次，进入外壳的ESD应尽量远离GND，防止其危害电路的其他部分。在设计电子产品时必须严格遵循上述设计原则，以保证整个产品的ESD指标能够达到预期的效果。
结尾
