EMC干货之防静电技术

什么是静电放电

   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物体间的静电电荷的转移,静电电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电,简称为ESD(Electro Static Discharge)。

静电产生的原因

摩擦带电: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，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电,材料的绝缘性越好，越容易出现摩擦生电。另外，任何两种不同物质的物体接触后再分离，也能产生静电。

感应带电:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负电子就会转移,这叫感应静电;针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移,这也叫传导静电。

静电对电子工业的影响

集成电路元器件的线路缩小，耐压降低，线路面积减小，使得器件耐静电冲击能力的减弱，静电电场（StaticElectricField）和静电电流（ESDCurrent）成为这些高密度元器件的致命杀手。同时大量的塑料制品等高绝缘材料的普遍应用，导致产生静电的机会大增。日常生活中如走动，空气流动，搬运等都能产生静电。人们一般认为只有CMOS类的晶片才对静电敏感，实际上，集成度高的元器件电路都很敏感,影响如下：
A）静电吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响产品的功能与寿命。
B）因电场或电流破坏元件的绝缘或导体，使元件彻底不能工作。
C）因瞬间的电场或电流产生的热，元件受伤，仍能工作，寿命受损。

一些静电敏感器件抗静电能力如下：

静电放电的模式

1)带电人体放电模式（HumanBody Model-HBM）

   带电人体放电模式 HBM 即指当人体活动时身体和衣服之间的摩擦产生摩擦电荷。当人们手持ESD敏感的装置而不先拽放电荷到地，摩擦电荷将会移向ESD敏感的装置而造成损坏。

2)带电机器放电模式（MachineModel-MM）

   带电机器放电模式 MM 即指这些ESD敏感的装置，尤其对塑料件，当在自动化生产过程中，会产生摩擦电荷，而这些摩擦电荷通过低电阻的线路非常迅速地泻放到高度导电的牢固接地表面，因此造成损坏；或者通过感应使ESD敏感的装置的金属部分带电而造成损坏。

3)充电器件放电模式（Charged-DeviceModel-CDM)

   充电器件放电模式 CDM 是指在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电，一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电,这就是充电器件放电模式。

   ESD测试设备

a)静电放电发生器,下图是ESD测试设备.一般打接触放电的用尖头,空气放电用圆头。

b)台式设备

 ESD标准文件

   a)GBT17626.2 -2006: 中国国家标准，整机ESD测试。

   b)IEC60001-4-2:2001: IEC标准，整机ESD测试。

   c)JEDECJESD22-A114-B: 美国美国电子工业联合会标准,人体模型条件下电子元件的静 电放电敏感度试验。

   d)ESDAESDSTM5.1：美国静电放电协会标准,人体模型条件下电子元件的的静电放电敏感 度试验。

   ESD测试要求

       一般一个端子>=10次单次放电,每次放电的时间间隔>=1秒。能接触到的端子打接触放，不能直接接触的端子,比如按键,打空气静，但是有些厂家也要求接触到的端子也打空气放电。

        各厂家要求的放电等级不同,国标IEC61000-4-2ESD等级标准参考以下的图表：

测试波形如下的图表：

 

   ESD波形参数：

静电防护的对策及设计要点

 一个良好的电子设备应该在电路设计的最初阶段就要考虑防静电保护要求,以便在成本和性能之间得到合理的权衡。

1.结构设计

如果将释放的静电看成是洪水的话,那么主要的解决方法与治水类似,就是“堵”和“疏”。

其一,用“堵”的方法.尽量增加壳体的厚度,即增加外壳到电路板之间的距离,或者通过一些等效的方法增加壳体气隙的距离,这样可以避免或者大大减少ESD的能量强度。案例某蓝牙耳机在3个按键的上方贴一块黄色的绝缘胶纸能有效的堵住静电从按键处注入。

  其二,用“疏”的方法.可以用EMI油漆喷涂在壳体的内侧,这样处理除了可以防止静电,还能有效抑制EMI的干扰.案例某MP3播放器在底壳贴一块导电布,在主板的两个露铜的区域贴导电海绵,以疏散静电的效应。

 ESD设计壳体上需要注意很多地方,首先是尽量不让静电进入壳体内部,其次是对于进入壳体内部的静电尽量将其从GND导走,不要让其危害电路的其他部分。

2.外壳设计

   一个完整的封闭金属壳能在辐射噪声中屏蔽电路,但由于从电路到屏蔽壳体的静电副级电弧可能产生传导耦合,因而一些外壳设计使用绝缘体,在绝缘壳中放置一个金属的屏蔽体,这种设计的好处是既可以防止因操作者对金属外壳的直接接触放电造成干扰,又可以防止操作者对周围物体放电时形成的EMI耦合到内部形成干扰,同时在操作者对外壳的孔、洞、缝隙放电时给放电电流一个泄放通道,防止对内部电路直接放电.因为静电会穿过孔洞,缝隙放电,所以绝缘外壳的孔洞,缝隙与内部电路间应留有足够的空间,2CM左右的空气间隙可以防止静电放电的发生.如果是塑料外壳,是不会产生直接放电现象,而且没有大的开孔,而且塑料外壳对电路也起到保护作用.案例某蓝牙耳机的漆包线在设计时要安装到塑胶壳里面去，尽量避免与金属外壳接触,能有效防止静电效应。

3、电缆设计

  一个正确设计的电缆保护系统可能是提高系统静电抗扰度的关键,电缆的线长和回路面积要尽量小以抑制共模耦合,在电缆的两端,电缆屏蔽必须与屏蔽连接,在互连电缆上安装一个共模扼流线圈可以使静电放电造成的共模电压降在扼流线圈上,而不是在另一端的电路上,另外由于静电放电电流的上升时间很短,因此扼流线圈的寄生电容必须要最小化。

4.电路硬件设计

   一般来说,与外部设备连接的接口电路都需要加保护电路,其中也包括电源线,这一点在硬件设计中往往被忽视.对于保护器件,我们重点分析一下瞬态电压抑制器TVS管应用. TVS管是最近发展起来的一种固态二极管,适用于ESD保护,它是一种特制的稳压管,通过增加PN结的面积来扩展导通电流.一般选择工作电压大于或等于电路正常工作电压的器件,它是和被保护电路并联的,其工作原理与稳压管一样,当瞬态电压超过电路的正常工作电压时,TVS管发生雪崩,为瞬态电流提供通路,使其内部免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁.由于TVS管的PN结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用,而且还具有适应低压电路的特点,且封装集成度高,适合于在印制电路板面积紧张的情况下使用,因而决定了它具有广泛的适用范围.但需要注意,用了TVS虽然抑制了瞬态干扰的电压,但高频干扰成分并没有减少,电路中一般应有与瞬态防护二极管并联的高频旁路电容来抑制高频干扰.案例USB3.0端口静电防护电路图解：

5.PCB设计

    PCB设计在提高系统的ESD抗扰性方面起着重要的作用,PCB上的走线是ESD生产EMI的发射天线,为了把这些天线的耦合降低,布线要求尽可能短,环路面积尽可能小,在许可的情况下尽可能使用多层板并使用大面积栅格减小耦合,也能抑制共模噪声的产生.PCB的元件布局应尽量避免将敏感的MOS器件直接连到容易发生静电放电的连接器引出端.另外信号线以及信号回路上的寄生电感,也要高度重视,可采取缩短引线长度,加大信号线宽度的方法加以抑制,以提高系统的ESD抗扰度.案例去耦电容尽可能的靠近IC电源脚减少环路面积,让所包含的场流量减小，其感应电流减小,对ESD和EMI都非常有效。

6.软件设计

除了硬件措施外,软件EMI方案也是减少系统严重失效的有效方法.软件ESD抑制措施分为两种常用的方法:刷新,检查并恢复.刷新涉及周期性地复位到休止状态,并且刷新显示器和指示器状态,只需进行一次刷新然后假设状态是正确的,其他的不用做了;检查过程用于决定程序是否正确执行,他们在一定间隔时间被激活,以确认程序是否在完成某个功能,如果这些功能没有实现,一个恢复程序会被激活。

   总结

       ESD是造成电子产品工作失常或功能失效的一个重要原因,随着电子技术的发展和产品的复杂程度的不断提高,ESD对电子产品的危害也越来越被重视.如果我们在设计产品的初期就加以重视,产品的ESD问题将会得到更好的解决!

 

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