关于大部分工程师来说，ESD是一种应战，不只要维护贵重的电子元件不被ESD损毁，还要保证假如呈现ESD事情后体系仍能持续运转。这就需求对ESD冲击时发生了什么做深化的了解，才干规划出正确的ESD维护电路。
咱们的手都曾有过静电放电(ESD)的体会，即便仅仅从地毯上走过然后接触某些金属部件也会在瞬间开释堆集起来的静电。咱们许多人都曾诉苦在实验室中运用 导电毯、ESD静电腕带和其它要求来满意工业ESD规范。咱们中也有不少人从前因为粗枝大叶运用未受维护的电路而损毁贵重的电子元件。
对某些人来说ESD是一种应战，因为需求在处理和拼装未受维护的电子元件时不能构成任何损坏。这是一种电路规划应战，因为需求保证体系接受住ESD的冲击，之后仍能正常作业，更好的状况是经过ESD事情后不发生用户可察觉的毛病。
与人们的知识相反，规划人员完全能够让体系在经过ESD事情后不发生毛病并仍能持续运转。将这个方针谨记在心，下面让咱们更好地了解ESD冲击时究竟发生了什么，然后介绍怎么规划正确的体系架构来应对ESD。
简略的ESD模型
将一个电容充电到高电压(一般是2kV至8kV)，然后经过闭合开关将电荷开释进预备接受ESD冲击的“受损”器材(图1)。电荷的极性可所以正也可所以负，因而有必要一同处理好正负ESD两种状况。
图1：板级ESD一般触及机器模型(MM)和人体模型(HBM)
损坏受损电路的高瞬态电压一般具有几个纳秒的上升时刻和大约100纳秒的放电时刻。受损电路不同，对正负冲击的敏感性或许也有很大的不同，因而你需 要一同处理好正负冲击。人体模型(HMB)和机器模型(MM)这两种最常见模型之间的差异首要在于串联电阻。人体模型的导电性没有金属那么好。
防止过压损坏的最佳维护办法是用非线性电路进行限压或钳位(图2)。最常用的是专门的二极管，当它们在前向偏置或处于齐纳击穿区时具有很低的阻抗。引进限压器能够快速引起某些其他事情，因为经过电容放电会有大的浪涌电流经过限压器。
图2：根本的限压电路能够防止过压损坏。
尽管消除了高瞬态电压，但代之以几个安培的浪涌电流或许会导致体系中呈现其它问题。详细取决于随后途径的总阻抗，浪涌电流能够抵达几个安培。在为芯 片规划I/O单元时，常常看到4A至16A的浪涌电流进入器材。处理如此巨大的瞬态浪涌电流已经成为ESD规划中的大问题。约束电压还算比较简略，但构成 的电流或许使体系中其它当地的电路和地发生反转。
被限压器强制导入地的电流将在体系的那个节点中发生感应性振铃现象(图3)。电源一般沿着地线传达，并且是电源去耦电容的函数，因而体系中心仍能正常工 作。不过连到电路板上的操控线或许呈现紊乱，因为它们是相对板外的地而树立的。成果或许在某个方位发生ESD事情，并致使电路板上的某个输入端看起来呈现 毛病。
图3：经过限压器将大的浪涌电流注入到地将引起PCB地的反弹，并表现为衔接电感的一个函数。
堡垒的ESD防护效果
运用板级ESD，你能够测验树立一个堡垒，并在“护城河”上树立多个受控的接入点。衔接到“城墙”之外的部分能够被广义地分红几个类别：协议受控的数据、 低带宽检测和操控线以及高速接口。前两个比较简略处理，第三个具有必定程度的应战性。让这三部分免遭ESD损坏有几种不同的办法。
不论终究产品是什么样，某种办法的维护性外壳将成为设备的一部分。阻隔外壳内的电路是需求细心考虑的第一道防地。在抱负状况下，衔接电路板地的金属外壳一般能起运用，但现代产品常常选用非导电性的塑料或其它现代资料。
电路规划人员一般无法操操控作城墙的资料，但对维护堡垒负有不行推卸的责任。在规划外壳时需求留意，抵达机箱外部任何部分的ESD都会有许多途径进入内部电路。
树立一个PCB能够自我防止ESD冲击的堡垒能够从低阻抗的接当地法开端。树立一个地基和正常的电源完好功用够让印刷电路板(PCB)坚持整个板上的信号完好性，即便是遭到巨大的地浪涌电流冲击的时分。
作为一个规划工程师，你会要求每个人系好他们的安全带，这样能够抵挡少数的气流。飞机或许快速地上下摇摆，但假如每个人都系好了安全带，那么一切人都会固定在原位，飞机也会持续飞翔。在这之后，你需求维护外部衔接，并约束ESD事情效应。
维护电路应该坐落电路板进口方位，而不是进口点的下流。需求处理的或许是电弧问题引起的数千伏电位，或许最好在电路板边际方位处理的数安培的浪涌电流。
TVS限压器的ESD维护
瞬态电压按捺(TVS)约束二极管能够用作限压器。它们分为一般电压、逻辑电平缓电源电压。常见的电压品种有：12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。
这个数字应该看起来比较了解，因为这些器材是专门针对与许多CMOS器材有关的需求规划的。一种标准不或许满意一切需求，它们应该是适宜要维护器材的正确电压。
现代CMOS工艺明显降低了电源电压，以维护没有许多规划余量且电压规模有限的晶体管，这点值得咱们敬重。这些器材一般运用代工工艺制作，这种代工工艺能够用小型封装供给具有低阻抗特性的大电流器材。
在输入线上放置TVS限压器能够维护输入端免遭ESD的损坏性危害(图4)。但这种限压器无法处理在主机处理时发生的信号紊乱现象，也无法处理因为巨大的地电流浪涌而发生的反转效应。
图4：简略的限压电压能够供给过压维护，但或许导致浪涌电流问题
浪涌电流应该被约束，而信号应该坚持相对部分地的安稳性。如前所述，HBM和MM之间的功用差异是十分大的。在许多状况下，在TVS器材之前添加一些串联电阻有助于约束电流浪涌，并削减地线反弹。与HBM相同，终究成果是削减体系应力。
一般带宽约束自身不会处理ESD问题。低通滤波器对小型ESD的衰减也要求60dB至150dB才干消除瞬态电压，这对简略的无源滤波器来说是很难做到的。TVS限压器能够将信号下拉到电源轨之间。
然后一阶RC电路能够用来坚持信号的完好性(图4)。电容也能够安稳相关于部分地的输入电压。这种办法能够很好地维护数量许多的低带宽输入，包括“设置并忘掉的”操控线、传感器输入和相似目标。
尽管咱们评论的大部分内容是维护PCB的输入端口，但输出端口维护也是相似的。TVS限压器和附加电阻在这儿也很适宜。约束电压有助于防止半导体损坏，并维护具有电压约束的其它部件。
串联电阻也有助于地的安稳。此外，让ESD浪涌电流远离数字芯片的I/O单元能够防止芯片内部呈现地线反弹，然后答应处理器在外部限压器吸收浪涌电流冲击时坚持正常作业。
芯片内部的ESD防护
根据多种原因，IC内部的ESD维护功用有些折衷。硅片和金属都针对IC的中心功用作了优化，不适宜用于大电流作业。专门的TVS器材运用针对大电流电路优化过的硅片，具有比一般CMOS中的PN结更高的功用。
别的，具有大电流ESD维护功用的I/O单元会占用相当大的空间，然后推升IC本钱。并且IC上的高频引脚一般没办法附加大尺度的ESD维护电路，因为它会发生容性负载。
作为一般经历，芯片内部的ESD维护程度仅仅足以完结IC出产并焊接到PCB上，但短少运用环境一般需求的鲁棒性维护功用。假如衔接需求脱离PCB，一般需求运用外部设备进行进一步的维护。
数据通讯端口的EDS维护
正确规划的通讯端口会运用鲁棒性的协议，协议中包括了通用运用循环冗余查看(CRC)编码来测试数据的完好性。以太网、USB和CAN总线都开发了CRC 编码并随数据一同传送。规划正确的接收器将查看CRC编码是否匹配所发送的数据。假如不匹配，表明要么数据要么CRC编码发生了过错，将宣布从头发送数据 的恳求。
因为ESD事情持续时刻不到100ns，因而CRC查看、验证和从头发送进程一般以不行见的办法处理ESD。终究用户一般从未意识到损坏的信息得到了纠正。其它一些协议的结构中没有维护办法。
I2C、串行外设接口(SPI)和体系办理总线(SMBus)通讯规划在PCB上作业，无法验证和纠正数据。假如有些数据要脱离电路板，保证你有办法验证数据的有效性。
大多数现代通讯途径选用差分办法，即便用某种办法的低压差分信号(LVDS)。每个LVDS衔接需求像一切其它信号相同遭到TVS维护。磁场阻隔(以太网 常用)和共模扼流圈有助于处理因为ESD事情中的地线反弹发生的共模改变问题。在输入信号与PCB不同享同一个地时，应该采纳光学阻隔或磁场阻隔办法。
要求完善的数据完好性但不包括误码查看的高速数据流在防止ESD冲击方面难度特别大。了解器材怎么供给高于1GB/s的串行数据速率和完好的通讯协议维护能够防止这个问题。
模仿信号与数字智能的ESD维护
脱离或进入电路板的任何模仿信号都需求根本的TVS维护。需求考虑衔接通道的带宽以判别下一步应采纳其它什么办法。大多数模仿操控信号、运动操控体系、音 频和指示灯不需求更多的办法，因为所用器材的呼应时刻较长。射频前端是通讯通道的物理层，由作为协议一部分的检错机制供给自我纠正。
硬件只能供给这么多维护。假如体系中心的某个处理器需求完结监听和操控，那么还需求一些选项。这儿介绍的技能能使你的处理器不再丢掉，或需求经过复位周期。在这个主机操控下究竟发生了什么则是需求考虑的别的一回事。
一般来说，你需求在处理器代码中编入一些智能，以便它能辨认过错的信息并进行正确的处理。经过时分轮询端口能够方便地处理慢速检测和操控线问题。因为ESD事情十分时间短，假如对几个毫秒内的多个样本来说端口上的数据坚持安稳，那么体系就不存在ESD这种灾难性事情。
此外，作为再现进程的一部分，输出能够被改写。假如处理器是存储器单元这一步是不需求的，但假如数据是经过长途确定的，那就需求用改写例程来办理损坏事情。
