靜電不能被消除，只能被控制。

 

控制ESD的基本方法：

 

 

從機(jī)構(gòu)上做好靜電的防護(hù)，用絕緣的材料把PCB板密封在外殼內(nèi)，不論有多少靜電都不能到釋放到PCB上。

 

有了ESD，迅速讓靜電導(dǎo)到PCB板的主GND上，可以消除一定能力的靜電。

 

對于金屬外殼接地的產(chǎn)品我來分析一下ESD問題。

 

先來分析金屬外殼的整機(jī)系統(tǒng)的ESD的設(shè)計，參考如下結(jié)構(gòu)：

 

 

1、靜電釋放于機(jī)殼，由于沒有理想的接地，會在機(jī)殼上建立電壓V。

 

電壓的幅度與接地線阻抗、機(jī)殼與大地的電容、機(jī)殼與內(nèi)部電路的電容有關(guān)。

 

dv／dt也主要與電容有關(guān)。

 

2、系統(tǒng)地與機(jī)殼地分離的電子產(chǎn)品，內(nèi)部電路也不會設(shè)計成與機(jī)殼連通，所以干擾進(jìn)入內(nèi)部電路主要是耦合方式。通過耦合方式進(jìn)入電子產(chǎn)品內(nèi)部的情況，與機(jī)殼上建立的dv／dt，接地線上建立的di／dt有關(guān)，與機(jī)殼上建立的電壓絕對值不直接相關(guān)。這也是大機(jī)箱的電子設(shè)備不易受干擾干擾的原因，對地電容比較大，不易建立較大的dV／dt和di／dt。

 

建立電壓的絕對值與絕緣強(qiáng)度不夠造成間隙放電有關(guān)。

 

3、如果耦合是干擾的主要路徑，我們可以采取一些措施，措施可以是很多不同的方法。一般來說耦合路徑會比較多，有一些還不易察覺，直接采取阻斷耦合路徑的方法不易實現(xiàn)，除非通過結(jié)構(gòu)分析、干擾分析發(fā)現(xiàn)了明確的結(jié)構(gòu)問題或者路徑。拉開距離可以減小耦合電容，間隙襯墊聚四氟乙烯等材料也可以減小電容，從而減少耦合強(qiáng)度。

 

實際我有看到客戶的電子產(chǎn)品有這樣的問題：

 

A．內(nèi)部電路有連接線走線時直接貼住機(jī)殼了，這就會存在設(shè)計結(jié)構(gòu)的問題。

 

B．一根高阻抗的輸入線與一根本來沒有干擾的導(dǎo)線捆扎走線，而這個根本沒有干擾的導(dǎo)線有一段比較靠近機(jī)殼，這也會有耦合ESD的問題。

 

4、或多或少總有一部分干擾經(jīng)耦合進(jìn)入內(nèi)部電路，是否能處理好這些耦合進(jìn)來的干擾；系統(tǒng)接地是關(guān)鍵。

 

連續(xù)的、靠得住的系統(tǒng)接地，可以承載內(nèi)部電路不受外部干擾，不管系統(tǒng)地是否實際接大地。參考上圖中的耦合路徑分析箭頭路徑分析。

 

在我進(jìn)行ESD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路的PCB分析時，我們可以看到在IO線端口見到電阻電容的設(shè)計，這些電容可以把耦合過來的干擾導(dǎo)入系統(tǒng)地。

 

當(dāng)干擾源阻抗比較低時，同時信號允許的情況下，可以串電阻或者磁珠改善。

 

注意：對于高頻電路，電容對干擾和有用信號同時起作用，所以不能用于高頻信號電路。但使用TVS器件時（較小的結(jié)電容）電壓高于信號電壓，基本對有用信號沒有影響。

 

有必要說明一下：當(dāng)信號電平為0時，從0電平開始干擾信號就需要消耗能量給電容充電，適當(dāng)電容量可以吸收掉干擾能量，使干擾電平達(dá)不到邏輯動作電平，電子產(chǎn)品電路不受干擾。TVS在這個過程中基本不起作用，即便干擾電平已經(jīng)達(dá)到邏輯動作電平。

 

很多時候由于干擾能量是吸收不完會穿過PCB，會通過CPU／MCU，如上圖中的箭頭所示路徑。

 

所以后面我再分析電子產(chǎn)品內(nèi)部ESD的問題設(shè)計時知道：一方面我們要規(guī)劃干擾在PCB上的路徑（注意這是在布板PCB板時需要提前規(guī)劃）；另一方面要盡量控制干擾幅度。

 

5、空氣放電主要是空間的輻射成分，已沒有明確的路徑，對于容性耦合情況，受擾部位會有較大面積以及較近的距離，不太容易識別路徑，所以從敏感部位入手比較容易。

 

實際的ESD都是非常高電壓的空氣放電模式，空間放電于接縫、插座、按鍵等。

 

相對接觸放電，空氣放電干擾情況要復(fù)雜很多。

 

 

最常見的是金屬殼與按鍵、顯示屏的縫隙；也很容易出現(xiàn)顯示的故障。

在對金屬殼體做接觸放電通過的前提下，需要對這些縫隙做空氣放電，可能出現(xiàn)干擾情況如：顯示閃爍、誤讀按鍵、機(jī)器重啟復(fù)位等。

 

我們要首先排除放電火花直接進(jìn)入電子產(chǎn)品或設(shè)備的情況，干擾過程相對簡單，我們可以尋找一下放電怎么會繞過殼體。

 

處理也簡單：縮小縫隙，內(nèi)部電路控制好絕緣間距。

 

比較常見的是放電火花落在金屬殼體上出現(xiàn)干擾。

 

接觸與空氣放電于殼產(chǎn)生的干擾是不同的。

 

接觸放電于金屬殼體，產(chǎn)生比較大的di／dt，在結(jié)構(gòu)件接地良好的情況下，僅有微弱的dv／dt。空氣放電于金屬殼體，槍頭有較大dv／dt，槍前部高壓部分體積越大，這個dv／dt越強(qiáng)；這個dv／dt很可能超過接觸放電在接地不良金屬構(gòu)件上產(chǎn)生的大的電壓V。

 

同時火花有較大的di／dt，也就是說有突變電場與磁場。突變電場以近場容性耦合的方式從絕緣構(gòu)件部位耦合到內(nèi)部電路，突變磁場以近場感性耦合方式穿透絕緣件進(jìn)入內(nèi)部電路。

 

我在進(jìn)行電子產(chǎn)品整機(jī)ESD設(shè)計時通常建議分三步走：

 

（1）防止外部電荷流入電路板而產(chǎn)生瞬態(tài)耦合干擾；

 

（2）防止外部磁場對電路板產(chǎn)生瞬態(tài)耦合干擾；

 

（3）防止靜電場產(chǎn)生的瞬態(tài)耦合干擾。

 

在發(fā)生 ESD 問題時，解決方案有：

 

－ 改進(jìn)系統(tǒng)的接地設(shè)計（包括機(jī)箱機(jī)柜、控制面板、通信電纜連接）。

 

－ 改進(jìn)電路板的接地設(shè)計，對外接口 ESD 接地的設(shè)計。

 

－ 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)、復(fù)位或通信錯誤的根本原因，在PCB 板進(jìn)行相應(yīng)信號處理和在軟件上進(jìn)行處理， 也是解決 ESD 問題 的最好辦法，費(fèi)用最低，但難度較大、較為耗時。

 

我再總結(jié)一下，對于電子產(chǎn)品／設(shè)備－整機(jī)級的堵和導(dǎo)

 

1、外殼和結(jié)構(gòu)件：金屬以及可導(dǎo)電的電鍍材料等，屬于容易吸引和聚集靜電的材料；ESD要求很高的項目要盡可能避免使用這些材料。

 

2、必須使用導(dǎo)體材料時：結(jié)構(gòu)上要事先預(yù)留有效而布局均勻的接地點(diǎn)；一般來說，頂針或者金屬彈片的接地效果優(yōu)于導(dǎo)電泡棉和導(dǎo)電布。

 

3、無法做接地處理的例如電鍍側(cè)鍵等，需要重點(diǎn)在主板上做特別處理。包括：

 

（1）增加壓敏電阻、TVS或者電容等器件；

 

（2）預(yù)留GND管腳；

 

（3）板邊露銅吸引靜電放電；

 

4、外殼上的金屬件，距離器件和走線必須大于2．2mm以上距離。

 

5、堆疊上避免器件裸露于孔、縫邊；如果無法避免的話，則要在組裝上想辦法堵；常見的做法有粘貼高溫膠帶或者防靜電膠帶等阻隔；所有結(jié)構(gòu)設(shè)計需要留有增加隔離片的空間。

 

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