关于静电ESD防护，为什么记住100条规则也没啥鸟用

1.关于静电，不谈理论

静电，确切的说是静电放电的防护，是EMC设计中的一个重点内容，已经有大量书籍，文章对此做了很多的讨论。那我们为什么还要再写一篇来讨论这个问题呢？因为在实际产品中，看到的一些对ESD设计规则的生搬硬套，真是让人比较捉急。EMC设计是实践性很强的一门学问，如果我们不去思考它背后的原理，只是把别人的一些结论，用到产品设计中，不一定能起到很好的效果，甚至会产生相反的作用。

历史上我们看到很多猛将，都犯了类似的错误，比如失街亭的蜀国大将马谡，纸上谈兵的赵国大将赵括。所以对理论的实际运用，是我们要倍加重视的。很多写EMC的文章，往往从麦克斯韦方程组开始，各种推导使人眼花缭乱，目不暇接，高山仰止，纵使法拉第再生，估计也会佩服的五(直)体(接)投(懵)地(圈)。我们今天就不讨论这个方程组了(真实情况是，咱们也不懂J)。

今天我们尝试用大家都容易看懂的方式，探讨一下静电的产生，静电放电现象，和静电的防护。

2.静电的产生

静电似乎是我们很熟悉的一种现象。干燥寒冷的冬天，特别是夜里，当我们上床睡觉，脱下一件毛衣时，噼噼啪啪一阵乱响。或者有时候是我们手碰到金属门把手时，轻微的啪的一声，伴随着麻麻的感觉。为什么会有这些现象呢？

我们生活中所见的物质，大部分都是由分子和原子构成。原子的中心是带正电的原子核，包括带正电荷的质子和不带电的中子，而围绕其高速运动的是带负电荷的电子。一般情况下，质子的数量与电子的数量相等，所以整体对外看起来是不带电的。

电子围绕原子核运动，有点类似于行星围绕太阳运动。举个例子，钠的原子大概是下面这个样子：

中间是11个带正电的质子，还有12个不带电的中子，周围有11个带负电的电子，排列在3个电子轨道上，离原子核最近的第一个轨道有2个电子，第二个轨道8个电子，最外层的轨道上有一个电子，这个单飞的电子具有最高的能量，而且特别容易脱离原子核的束缚。当然这是个示意图，实际电子不应该在一个平面上转，而是应该在立体的球面上。我们把钠原子这种电子层排布写成下面这种形式：

Na (+11) -2-8-1

看到这里，不能不使我们想起另一种元素。对，就是最外层有7个电子的氯

Cl (+17) -2-8-7

跟容易失去一个电子的Na正好相反，它的最外层容易获得1个电子，从而达到具有8个电子的稳定结构。如果把加热的Na放入氯气Cl中，会发生剧烈的燃烧，然后形成盐NaCl。

对于一些原子量更大的元素，比如铜，银，金，它们的最外层都是有单飞的电子，而且这种电子具有的能量更高，离核距离更远，所以更容易挣脱原子核的束缚，形成自由的电子，在原子之间流动。

几种金属原子的核外电子排列：

铜Cu (+29) -2-8-18-1

银Ag (+47) -2-8-18-18-1

金Au (+79) -2-8-18-32-18-1

摩擦起电：

生活中的物质有的由单一元素组成，有的由复杂的多种元素构成，它们对电子的束缚能力也各异，当不同的物体摩擦就会发生电子在不同物质之间的迁移，获得多余电子的带负电，失去电子的带正电。按这种特性把物质排序，越容易失去电子的物质越靠左，那么就得到一个静电序列：

金属摩擦时的静电序列: (+)铝、锌、锡、铜、铅、锑、钳、黄铜、汞、铁、铜、银、金、铂、钯、MnO2、Pb0(-)。

非金属的静电序列: (+)玻璃、头发、尼龙、毛、丝绸、人造丝、奥纶、棉织品、纸、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯脂、硫、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(-)。

空气摩擦也是物体积聚静电的一个重要原因。飞机在空中飞行后降落地面，通过轮胎和地面接触也会释放掉大量的静电，否则可能发生严重的事故。

感应起电：

除了摩擦起电，两种物体不直接接触，通过感应也会导致静电的积聚。

如图带电荷的物体会在它的周围形成电场，如果移动带正电荷物体A，让它靠近一个不带电的导体B，那么由于异种电荷相吸，同种电荷相斥，会在靠近A的左端感应出负电荷，在右端感应出正电荷，感应电荷在导体B内形成与A的电场相反的电场。当这两个方向相反的电场大小相等时，形成电平衡，导体B内的电子不再移动。此时导体B对外部来说仍然是不带电的。如果此时把A移开，B上的电子又会回复到均匀分布的状态，对导体B来说，就像什么事情都没有发生过。

我们怎么能在不接触的情况下，让导体B带上点儿静电呢？

两种办法：

一是把导体B从中劈开，然后再把A挪走。另一种办法是从导体B连一根导线到大地，此时正电荷会释放到大地上，此时再把导线断开，A挪走，导体B上会带上负电荷。

接触起电：

如果使一个带静电的物体接触一个不带电的物体，那么不带电的物体会由于电子的迁移，带上同种电荷的静电。

3.ESD (Electro Static Discharge)

静电的积聚本身不会产生什么危害，产生破坏的是静电放电的一瞬间。就像一架飞机在空中飞行的时候，可能会带上数万伏的高压，并不会对人体有什么危害。但是如果落地后仍然没有释放掉，那么人从舷梯走下来，踏上大地的一瞬间可能就是致命的。静电在我们印象里通常不会产生巨大的破坏作用，其实不然，想一想雷电其实也是一种静电放电现象，我们就明白了。

带正负电荷的物体之间会发生放电，一个带电和不带电物体之间会发生放电，甚至带同种电荷的物体，只要它们的电势不同，也会发生放电现象。电势差越大，迁移的电子越多，放电通路的电阻越小，放电就越剧烈。

静止的电荷周围只会形成电场，但是当放电发生时，情况就不一样了，大家知道移动的电荷形成电流，电流的周围会产生磁场。变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场。静电的放电往往发生在一瞬间，电压电流的变化非常剧烈，产生的电磁辐射也很强，频带宽。所以静电放电和电磁干扰密不可分。

4.ESD 防护

如何防止静电产生破坏作用？不外乎传统的三大必杀技：一，控制干扰源。二，切断传播途径。三，提高设备的抗干扰能力。在下一篇文章中我们将继续讨论一下，有哪些具体的，实用的防静电措施，以及在实践中常常犯的一些错误。

参考资料：

《从一到无穷大》乔治ˑ伽莫夫

《电子设备防干扰原理与技术》周旭

《单片机系统实用抗干扰技术》刘光斌 刘冬 姚志成

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