静电放电ESD工程量化与多维路径耦合分析

1. 静电放电ESD工程量化分析

1.1 金属螺柱与线缆的分布电感工程估算

1.2 ESD放电电流估算

注：标准中ESD枪在50Ω阻抗下的电流值，但实际放电电流与放电回路阻抗相关。

1.3 ESD放电电流等级

Contact discharge current waveform parameters

1.4 回路感应电压估算

1.5 回路感应电压计算过程

2. 多维路径耦合分析

2.1 驱动器过流问题描述

某驱动器在ESD试验中，间接耦合板HCP 1KV放电导致报过流，极度敏感，整改后满足CD-7KV，AD-9KV等级；

2.2 ESD多维路径耦合分析

2.2.1 ESD传导路径分析

（1）ESD传导路径示意图

（2）ESD传导路径排查分析步骤

• STEP1：割断路径①，无改善；
• STEP2：割断路径②，有改善，HCP-4KV放电不报错；
• STEP3：割断路径③，有改善，CD-4KV（注：需要同时去掉才有改善）；

（3）ESD传导路径整改分析总结

ISENSE_DCBUS+_MCU、ISENSE_OC、ISENSE_RST的PCB走线为传导干扰的路径之一，且相互影响；

2.2.2 ESD近场耦合分析

（1）ESD近场耦合路径示意图

（2）ESD进场耦合排查分析步骤

• STEP1：单片机采用铜箔进行屏蔽，无改善；
• 

屏蔽MCU方法示意图

• STEP2：Top层GND进行割板，有改善，可达到CD-4KV；

GND割板方法示意图

• STEP3：ISENSE_OC信号单片机侧+磁珠和TVS管，有改善，可达到CD-6KV；
• STEP4：ISENSE_DCBUS+_MCU、ISENSE_OC、ISENSE_RST、15V电源在板对板连接器处+200pf电容，有改善，可达到CD-7KV；AD-9KV；

（3）ESD近场耦合整改分析总结

• 板对板连接器回路+15V电源的GND回路，在ESD电流下，间接影响母线过流信号；
• ISENSE_DCBUS+_MCU、ISENSE_OC、ISENSE_RST、15V电源在板对板连接器处+200pf 电容，同时ISENSE_OC单片机引脚处+磁珠和TVS管，可满足要求；
• 15V电源GND的TOP铺铜需要优化，保证面积最小；

2.3 总结

（1）近场耦合

top层的15V的GND铺铜回路面积过大（约200mm²），6KV-CD静电放电时，GND瞬间波动约为50V左右，是导致导致母线过流报错主要原因；

（2）传导路径

ESD干扰同步会耦合到母线过流相关信号，导致报错;

2.4 整改落地方法

2.4.1 15V电源处理

• 15V电源的top层铺铜优化，保证GND无U型及环路面积，且15V与GND环路面积最小；
• 15V电源叠层板对板连接器处增加200pf左右的滤波电容，减小回流面积；

2.4.2 信号处理

• PCB板上ISENSE_DCBUS+_MCU、ISENSE_OC、ISENSE_RST信号在板对板连接器处增加200pf滤波电容，减小回流面积及三个信号线间的ESD干扰引起的串扰；
• ISENSE_OC靠近单片机引脚处加200Ω左右磁珠及BV05C的TVS管，做为滤波及压差嵌位；

3. 设计指导建议

• 距离金属螺柱附近top层或bottom层上的敏感信号或伴地设计的回路面积小于≤4mm²；
• 超过4mm²面积的回路需要进行滤波和防护处理；
• 敏感信号尽量远离金属部件（15KV-ESD放电间距5mm左右）；
• ESD为低压驱动器的设计难点，需要软件进行滤波类处理，减小硬件设计压力；