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手机静电放电模型和分析&ESD部分相关知识

首先说结论：

1.之所以我们在设计手机电路的时候，总是尽量利用参考地来作为静电释放的通路，根本原
因是参考地与外界的“放电阻抗”很小，最容易与外界发生电荷转移（因为参考地平面很
大，覆盖很广，尖端多，和外界的等效接触很多，对比电路中的其他通路和许多元器件，在
无强带电体靠近时容易对外界释放电荷，而有强带电体靠近时则容易吸附电荷）（这里的
外界定义为电中性，即不带电的所有物体的总和，一般可直接等效为大地）。

2.对于静电放电通路的考量，不需要考虑电路系统中本身的电动势。因为电路系统中的电动
势，或者说导线中的电场，是靠锂电池建立的。这个电场，对比局部积聚的静电荷所形成的
电场，可忽略不计。因此手机静电放电模型，不需要考虑其电路系统原本的电动势，也不从
传统的电压的角度去考虑，而是从电荷势能的角度去考虑：势能总是趋向于变小，所以对于
手机上积聚的高势能密集电荷团（这个势能是由于电荷团自身的相互排斥产生的），电荷团
自身总是有“扩散”到四面八方的趋势。而在“扩散”的过程中，电荷流动的速度和数量，
就由各通路上的“放电阻抗”决定，类似并联电路中的电流分配关系。（这个角度去分析的
其中一个好处就是不用考虑电荷的正负）

(注：全文中提到的“放电阻抗”，定义为两物体之间阻碍静电电荷通过的能力，即两物体
之间的放电阻抗越大，越不容易发生静电击穿放电，并且放电电流越小。这个放电阻抗由
释放电荷的物体1、接受电荷的物体2、两物体间的介质3个因素决定)

接下来建模分析：
（该模型假设静电放电形式如下：电荷大量积聚，导致击穿放电路径的耦合电容，导致放电
路径的阻抗急剧变小（或者本来耦合电阻就十分小），导致瞬间大电流对电路造成的损害和
干扰）
（该模型只是一种简化模型，实际电路中的情况肯定复杂得多，但都可以基于这个模型去分
析）
（该模型中的电阻代表的是静电荷通过空气向外界慢慢释放时的放电阻抗；而模型中的电
容，一方面代表等效电容，另一方面代表静电荷击穿空气放电的情况（即等效为击穿电容）。
一旦电压足够高，击穿电容，放电路径的阻抗就会急剧变小，形成瞬间大电流，这个也是我
们主要去考虑的情形）

图1

（下面，以图1中红色层为信号线为例子进行分析）

放电路径1：即信号线与大地之间的通路，假设是由空气、手机外壳、其他不重要、人体、
ESD实验室中的耦合板、桌子椅子等等等等的物体构成的。

放电路径2：即参考地与大地之间的通路，假设是由空气、手机外壳、其他不重要、人体、
ESD实验室中的耦合板、桌子椅子等等等等的物体构成的。

放电路径3：即信号线与参考地之间的通路，假设是由电路之间的各种电子元件、部分PCB
构成的。所以如果大量的电荷通过这条路径的话，会对电路造成不可预计的干扰，使我们设
计时需要规避的。

按目前的设计规范，手机中的3条放电路径，放电路径1的放电阻抗远远大于放电路径2
的放电阻抗（因为信号面的“折合等效”面积远远小于地平面），放电路径3的放电阻抗数
量级不好说，我想一般会远小于放电路径2，所以：
放电阻抗：放电路径1＞＞＞放电路径2＞放电路径3

假设初始手机为电中性，现在使用静电枪分别促使地平面/信号线积累大量电荷
情况1：静电枪打在地平面上
电荷直接从放电路径2跑掉，没有经过内部器件，必然不会造成影响。

情况2：静电枪打在信号线上
电荷先通过放电路径3，从信号线到达参考地平面，然后再从放电路径2，到达大地。
由于由电路之间的各种电子元件、部分PCB构成的，如果这个放电路径2上有一些敏感的
元器件、信号线，就会对电路造成影响。
所以，如下图2，在一些敏感的元器件和信号线上加TVS管，其实就是提供另外一条低阻抗
的放电路径4，分走大部分通过放电路径3的电流，从而保护电路，并且同时钳住电压，防
止电压过高打坏器件。
图2

综上所述：

1.电子设备中防ESD的本质就是：防止积聚的静电电荷在有电子元器件的路径中通过导致打
坏器件，以及防止静电电荷通过路径时导致的系统误操作（瞬间大电流会造成电位变化和磁
场干扰）。
一般，可用TVS管钳住高位，防止电压过高，打坏器件。但是对于防止电位的变化，没有太
可靠的办法，只能加电容来缓解。这也是为什么许多reset信号常常要保持低电平几ms才
开始操作的原因，因为这个时间越长，抗ESD导致的电位误操作的能力就越强。

2.这个参考地平面之所以可以作为良好的泄荷通路，其实和它是不是“参考地”无关，仅仅
和它在大多数情况下，是放电阻抗很小的通路这一点有关。
因此，如果仅仅是针对“静电电荷不从器件和信号线上通过”这个目的，利用其他的电势
面，也可以达到同样效果，如电池正极的平面，或者某个信号线的平面。只要把他们按照
平面很大，覆盖很广，尖端多