静电抗扰度 - ESD

一、ESD的物理机制与危害

静电放电主要由摩擦起电引发，尤其在低湿度环境中，人体或物体通过摩擦可积累数千伏的电压（如人体电容150pF时，15kV电压可存储约0.1J能量）。放电过程分为直接放电（接触/空气放电）和间接放电（通过耦合板传导），其危害体现在：

直接损伤：半导体器件因瞬时大电流（可达30A）导致的击穿或热失效；

间接干扰：放电产生的电磁场（频率可达500MHz以上）引发设备误动作或数据错误。

二、ESD测试标准与等级划分

国际通用标准为IEC 61000-4-2，对应国标GB/T 17626.2-2018，规定了测试等级与方法（表1）：

注：X为开放等级，需根据产品规范自定义参数。

三、ESD测试方法与实施流程

1. 测试配置

直接放电：使用静电发生器（如EM TEST ESD NX30）对设备金属部件（接触放电）或绝缘表面（空气放电）施加脉冲；

间接放电：通过水平/垂直耦合板模拟近场干扰，放电电流经470kΩ电阻接地。

2. 测试步骤

预扫频：以20次/秒速率快速扫描敏感点；

正式测试：每个放电点正负极性各10次，间隔≥1秒，电压从低到高递增；

环境要求：温度15-35℃，湿度30-60%，接地参考平面尺寸≥1m²。

四、防护设计与整改措施

1. 硬件防护

接地设计：金属外壳需保持导电连续性（搭接阻抗<2.5Ω），避免电位差导致二次放电；

屏蔽优化：非金属外壳采用导电涂层（如纳米银）或金属网，线缆使用双层屏蔽（覆盖率≥85%）；

滤波电路：在I/O端口增加TVS二极管（响应时间<1ns）和RC滤波网络（如100Ω+100pF）。

2. 软件容错

看门狗复位：检测到异常时触发硬件复位；

数据校验：采用CRC或冗余通信协议降低误码率。

五、行业应用案例对比

通过上述多维度的技术解析，ESD抗扰度设计需结合测试验证与防护优化，尤其在高速数字电路和无线通信设备中，需通过仿真预评估（如CST ESD模块）提前识别风险点。实际工程中，满足3级测试要求的设备整改成本通常占总BOM成本的1-3%，而失效导致的售后成本可达10倍以上，凸显前期设计的重要性。