热插拔技术详解（中）

3、热插拔导致的静电问题及其防治

（1）静电产生

物质都是由分子构成，分子是由原子构成，原子由带负电荷的电子和带正电荷的质子构成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。

但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子A而侵入其他的原子B，A原子因减少电子数而带有正电现象，称为阳离子;B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。

造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能量(如动能、位能、热能、化学能等)在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。

当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个物体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。

通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电，在日常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。这是因为气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子也会发生“接触分离”而起电。我们都知道摩擦起电而很少听说接触起电。实质上摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活，各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。另一种常见的起电是感应起电。当带电物体接近不带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负电和正电。

两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两个物体间的静电电荷转移称为静电放电。如果带电体是通过电子元器件来放电，就会给元器件带来损伤，导致器件失效。

如上所述我们可以明确两点：

1）静电无处不在，只要是绝缘体机就有可能带静电（比如我们常用的透明自封袋通常带有500~2000V静电。

2）静电会带来设备故障，器件损伤，必须要重视。

（2）静电放电失效机理

ESD的典型失效包括：

热二次击穿
金属化层的熔融体击穿
介质击穿
气体的电弧放电
表面击穿

仿真人体带8kV静电放电，放电3次；半导体内部放大3000倍；

硬损伤和软损伤

人体静电可以摧毁任何一个常用半导体器件。

（3）热插拔过程中的静电问题

正如静电定义中描述的两个不同材质的物体只要有接触，就有静电产生的可能。热插拔中至少首先存在三个物体，人体、热插拔单板、机箱背板，因此在热插拔中静电问题很容易出现。下面举两个最常见的例子：

a）人体本身带有静电，而机箱已经接地，热插拔瞬间人体静电电荷将经热插拔单板对机箱背部放电。

b）机箱背板带有静电电荷，人体也带有静电电荷，热插拔瞬间人体静电电荷与机箱静电电荷在热插拔系统中发生电荷重新分布的放电过程。

通过这些例子，我们分析发现，两个问题。

第一、由于热插拔功能，原来不太需要关注静电问题的机箱背板接口（内部接口），成为必须讨论静电问题的接口。也就是说，背板接口的设计中防静电设计是需要的，而背板通常存在着接口管脚数量多，功能复杂，器件防静电能力低的问题。因此在背板接口部分增加防静电设计将明显加大单板设计难度和单板成本。

第二、如果人体和机箱以及热插拔单板能够良好接地，热插拔中静电问题完成可以避免。这个假设非常有意义，因为它成功的避开了第一条提到的单板设计难度和单板成本增加，只需要给机箱加上一个防静电手链，然后在说明书中明确要求热插拔操作时，操作员必须带防静电手环、或者带防静电手套。

但这只是个假设，如果客户热插拔时没带防静电手链，并引发单板的静电损伤，我们能要求客户带上静电手环或者防静电手套，如果客户裸手拿单板，静电导致坏板，我们需要进行维修。因此如果希望通过设计解决热插拔中的静电问题，我们还需要有其他手段。

（4）针对热插拔引发的静电问题的设计对策

a）背板接口要做放电的设计，信号接口、电源接口添加防静电器件（如TVS管）是备选方案。（一般来说我们对背板接口不做防静电处理）。电路级ESD防护方法：

①并联放电器件

常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。如图

齐纳二极管（ Zener Diodes ，也称稳压二极管）：利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。但是齐纳二极管通常有几十 pF 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。

瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和 ESD所引起的高瞬态电流。TVS也会有结电容，通常0.3个pF到几十个pF。TVS有单极性的和双极性的，使用时要注意。手机上用的TVS大约0.01$，低容值的约2-3分$。

多层金属氧化物结构器件 (MLV)：一般称为压敏电阻。MLV也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系，截止电压可达最初中止电压的 2 ～ 3倍。这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护，如电源回路，按键输入端等。手机用压敏电阻约0.0015$,大约是TVS价格的1/6，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。

② 串联阻抗

一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明这里电阻是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠和压敏电阻差不多。但是对于大功率电源，或者高速信号，这里串电阻显然是不合适的。会导致电源压降或者信号完整性的问题。

③ 增加滤波网络

前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。

对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护措施），效果更好，经验证明这样防护效果有时超过TVS。

对于射频天线的微波信号，如果用TVS管，压敏等容性器件来做静电防护，射频信号会被衰减，因此要求TVS的电容很低，这样增加ESD措施的成本。对于微波信号可以对地并联一个几十nH的电感来为静电提供一个放电通道，对微波信号几乎没有影响，对于900MHZ和1800MHz的手机经常用22nH的电感。这样能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。

⑤ 复合防护

有一种器件叫EMI filter，有很好的ESD防护效果，如图。EMI filter也有基于TVS管的和基于压敏电阻的，前者效果好，但很贵，后者廉价，一般4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$。

实际应用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的方式。他既有低通滤波器的功能，又有压敏电阻的功能，还有电阻串联限流的功能。是性价比最好的防护方式，对于高阻信号可以采用1K电阻+50PF压敏；对于耳机等音频输出信号可以采用100欧电阻+压敏电阻；对于TP信号串联电阻不能太大否则影响TP的线性，可以采用10欧电阻。虽然电阻小了，低通滤波器效果已经没有了，但限流作用还是很重要的。