時(shí)間：2021-08-19 15:09:13

關(guān)鍵字： ESD 防護(hù)

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[導(dǎo)讀]推薦個(gè)嵌入式行業(yè)的號(hào)主，喜歡的可以關(guān)注一波~對(duì)付靜電，與控制傳染疫情的原理類似，不外乎控制靜電產(chǎn)生源頭，切斷傳播途徑，增強(qiáng)設(shè)備本身的抗靜電能力。我們先看兩個(gè)跟防靜電有關(guān)的重要題目：大地和法拉第籠，然后介紹有哪些常用的手段，可以保護(hù)我們的設(shè)備免遭ESD的毒手。先認(rèn)識(shí)一下大地對(duì)于我們...

推薦個(gè)嵌入式行業(yè)的號(hào)主，喜歡的可以關(guān)注一波~對(duì)付靜電，與控制傳染疫情的原理類似，不外乎控制靜電產(chǎn)生源頭，切斷傳播途徑，增強(qiáng)設(shè)備本身的抗靜電能力。我們先看兩個(gè)跟防靜電有關(guān)的重要題目：大地和法拉第籠，然后介紹有哪些常用的手段，可以保護(hù)我們的設(shè)備免遭ESD的毒手。

先認(rèn)識(shí)一下大地

對(duì)于我們腳下的大地，大家可能是再熟悉不過(guò)了?？晌覀儗?duì)她又真的了解多少呢？這顆形成于46億年前的星球，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化，孕育出五彩斑斕的世界，她是奔騰不息生命的搖籃。在電子領(lǐng)域，大地也是一個(gè)非常重要的題目，但教材里對(duì)她的提及卻太少。處于地球表面的大地本身帶負(fù)電荷，而大氣中含有凈的正電荷，平常我們雖然感覺(jué)不到，其實(shí)在空氣中，存在一個(gè)垂直指向地面的電場(chǎng)，大氣中的正電荷沿著電場(chǎng)注入大地。雖然比較微弱，但從整個(gè)地球來(lái)看，竟然達(dá)到1800A的電流。與之相反，云層和大地之間發(fā)生閃電時(shí)，會(huì)有負(fù)電荷流入大地，使系統(tǒng)總體上處于一個(gè)平衡的狀態(tài)。我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為，大地是一個(gè)可以容納無(wú)窮多電荷的海洋。當(dāng)有帶正電荷的物體和大地連接時(shí)，會(huì)有帶負(fù)電荷的電子從大地涌入物體，與正電荷中和；當(dāng)有帶負(fù)電荷的物體連接至大地時(shí)，物體上的負(fù)電荷，會(huì)釋放到大地中。所以對(duì)于靜電釋放來(lái)說(shuō)，大地是一個(gè)最好的去處。當(dāng)然，一個(gè)懸浮于空中的金屬導(dǎo)體，也有容納電荷的能力，如果它上面再有一些尖刺，還會(huì)通過(guò)尖端放電，把電荷通過(guò)空氣慢慢釋放掉。但是這種懸浮物體對(duì)電荷的容納能力還是非常有限的。

法拉第籠

ESD Protection - 01

這是一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在我們可以帶著輕松的心情體驗(yàn)一下。一個(gè)封閉的金屬籠，當(dāng)用10萬(wàn)伏的高壓靠近它時(shí)，會(huì)發(fā)生猛烈的放電，但是人在籠內(nèi)是非常的安全，不會(huì)有任何危險(xiǎn)。在1836年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第，可是冒著生命危險(xiǎn)做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)。他搭建了一個(gè)金屬外殼房子，然后用靜電發(fā)生裝置去電擊這個(gè)金屬房子外殼。我們到現(xiàn)在，仍然依據(jù)此實(shí)驗(yàn)原理，去做靜電防護(hù)。需要注意的是，金屬籠本身必須是良好的導(dǎo)體。比如飛機(jī)的金屬外殼，在搭接的地方要保證電阻非常小。這樣萬(wàn)一被雷擊中了，也能保證機(jī)內(nèi)設(shè)備和乘客幸免遇難。一個(gè)設(shè)備如果有封閉的金屬外殼，可以對(duì)內(nèi)部的電路形成很好的保護(hù)但是考慮另外一種情形，如果有一根導(dǎo)線從法拉第籠內(nèi)部穿出，情況恐怕就不妙了。試想一下你去跟法拉第籠中的小朋友握個(gè)手？估計(jì)是當(dāng)場(chǎng)GG?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，特別是工控領(lǐng)域，經(jīng)常要有長(zhǎng)長(zhǎng)的線纜連接至別的設(shè)備。像下面這種，如果設(shè)備拖了一條電纜，此電纜接地，或者僅僅是靠近地面，就會(huì)形成一個(gè)放電的通路。即使是設(shè)備外殼接地，仍不能避免此通路上發(fā)生放電。所以要考慮在電纜進(jìn)出設(shè)備的地方做防護(hù)，或者干脆直接隔離開，以避免形成放電通道。

ESD Protection - 02

靜電如何搞破壞

靜電的積聚本身，不會(huì)產(chǎn)生什么危害，產(chǎn)生破壞的，是靜電放電的一瞬間。這個(gè)釋放的時(shí)間越短，則能量越集中，越容易產(chǎn)生破壞。我們可以想像一個(gè)氣球，吹的再大，只要沒(méi)爆就沒(méi)事兒。但是拿一根針扎一下，就會(huì)啪的一聲爆掉，這就有點(diǎn)兒破壞性了。如果一個(gè)物體已經(jīng)積聚了大量的靜電，這時(shí)候如果有一個(gè)放電通路，把它連接到了另外一個(gè)能容納電荷的物體，或者連接到了大地，這時(shí)候電荷就會(huì)在非常短的時(shí)間，在納秒(nS)級(jí)的時(shí)間內(nèi)釋放掉，電流可能達(dá)到數(shù)十安，對(duì)放電路徑上的物體產(chǎn)生劇烈的破壞作用。如果靜電的電勢(shì)特別高，它會(huì)擊穿和鄰近物體之間的空氣，通過(guò)空氣放電釋放掉。這也是經(jīng)常發(fā)生的一種破壞。另外我們知道變化的電流，產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，靜電釋放發(fā)生在一瞬間，頻率高，電流大，所以產(chǎn)生的高頻電磁輻射也很厲害。那么這種電磁輻射，就會(huì)通過(guò)空間耦合到敏感電路，對(duì)其形成破壞。

ESD Protection - 03

如何對(duì)付靜電

靜電源頭的控制對(duì)付靜電最好的辦法，就是不讓它產(chǎn)生。至少不能讓它積累到產(chǎn)生破壞的程度。比較常用的是離子風(fēng)機(jī)，它能源源不斷地產(chǎn)生出正負(fù)離子，并吹送到需要消除靜電的地方。另外在產(chǎn)品的生產(chǎn)和運(yùn)輸中，使用防靜電工作臺(tái)，專用的防靜電包裝等也能防止靜電的積聚。切斷靜電傳導(dǎo)通道當(dāng)我們改變不了世界的時(shí)候，至少能改變我們自己。對(duì)于靜電也是這樣，大多數(shù)情況下我們能做的，是不讓靜電進(jìn)入設(shè)備，加強(qiáng)設(shè)備的抗靜電能力。不用花什么成本，但很有效的方法，是增大設(shè)備內(nèi)部敏感電路板到外殼的距離。這里我們經(jīng)常會(huì)忽視的是固定電路板的螺釘，這些螺釘一般都是金屬的，直接擰到外殼。這樣的情況下，雖然電路板離外殼挺遠(yuǎn)，但靜電還是能沿著螺釘輕易的爬進(jìn)電路板，功虧一簣。所以記得螺釘要和內(nèi)部電路保持距離。屏蔽，是阻止靜電進(jìn)入設(shè)備最為有效的方法。由于靜電釋放的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)輻射，所以我們還需要對(duì)電磁場(chǎng)輻射進(jìn)行屏蔽。對(duì)于頻率低的磁場(chǎng)，主要是用高導(dǎo)磁率的材料做殼體，使磁場(chǎng)被引導(dǎo)，集中從殼體經(jīng)過(guò)。對(duì)于高頻的磁場(chǎng)，要用導(dǎo)電性能良好的金屬，其原理是磁場(chǎng)在導(dǎo)體中會(huì)激發(fā)出渦流，此渦流產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)，與源磁場(chǎng)互相抵消，從而達(dá)到對(duì)內(nèi)部區(qū)域的屏蔽。如果需要同時(shí)對(duì)電場(chǎng)，高頻和低頻磁場(chǎng)做屏蔽，殼體需要選取復(fù)合屏蔽材料。屏蔽金屬殼最好要接地，這樣電荷可以泄放到大地，而且不但能屏蔽外部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，也能屏蔽內(nèi)部的電磁輻射對(duì)外部的干擾。靜電釋放Electro-Static Discharge (ESD)對(duì)于設(shè)備外部的靜電，我們要把它堵在外面，在入口的地方用TVS(Transient Voltage Suppressor)管，把靜電泄放到機(jī)殼上。另一方面，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備的靜電，要把它緩慢釋放掉，緩慢釋放掉，緩慢釋放掉，重要的事情要說(shuō)三遍。對(duì)于電路板設(shè)計(jì)，下面是比較常用的處理方式：

ESD Protection - 04

ESD Protection - 05

電路板最外側(cè)是一圈保護(hù)地，通常用螺絲固定到金屬外殼，外殼再通過(guò)低電阻的導(dǎo)線連接至大地。這樣外部的靜電直接被泄放到大地，不會(huì)對(duì)內(nèi)部電路板上的器件產(chǎn)生任何傷害。內(nèi)部的信號(hào)地，就是我們電路信號(hào)的參考地，通過(guò)1M歐姆電阻連接至保護(hù)地，它可以把電路板信號(hào)地上積累的靜電緩慢釋放掉，電路板上的其它電路可以先把靜電釋放到信號(hào)地。1nF的電容，對(duì)信號(hào)地到保護(hù)地提供一個(gè)高頻的通路，電路板上通過(guò)高頻輻射感應(yīng)產(chǎn)生的能量，可以通過(guò)它釋放到地。看到這里我們可能會(huì)有兩個(gè)疑問(wèn)：為什么保護(hù)地要留個(gè)缺口呢？我們?yōu)槭裁床话研盘?hào)地直接和保護(hù)地連起來(lái)呢？這樣不是靜電更容易泄放到大地嗎？第一個(gè)問(wèn)題，如果把缺口連上，保護(hù)地就會(huì)成為一個(gè)環(huán)形的回路，如果有電磁場(chǎng)以垂直電路板的方向通過(guò)，則會(huì)在此回路中感應(yīng)出電流，對(duì)電路板來(lái)說(shuō)就是強(qiáng)干擾。對(duì)于通過(guò)空間傳播的電磁輻射干擾來(lái)說(shuō)，最怕的就是電路板上存在電流可以流動(dòng)的回路。如果我們留心，可以看到電路板上的保護(hù)地，如晶振周圍的保護(hù)地(Guard Ring)，也不是封閉起來(lái)的一圈，而是會(huì)留出缺口。第二個(gè)問(wèn)題，對(duì)于一些設(shè)備，如果有良好導(dǎo)電的金屬外殼，外部沒(méi)有長(zhǎng)導(dǎo)線，信號(hào)地直接接機(jī)殼也是可以的。比如我們家里的電腦，主板上的地線就是直接連到機(jī)殼的。對(duì)于有長(zhǎng)導(dǎo)線暴露在外，易于和大地之間形成放電通路的，就要考慮在引線接口處，用隔離阻斷放電通路，或者用靜電保護(hù)器件把靜電導(dǎo)入大地。

ESD Protection - 06

需要注意連接至敏感器件的導(dǎo)線，如果此導(dǎo)線走線比較長(zhǎng)，而且靠近靜電放電的通路，很容易被電磁輻射干擾。應(yīng)盡量遠(yuǎn)離干擾源，避免與放電通路平行走線，在導(dǎo)線串接小電阻，或者磁珠等，可以抑制干擾進(jìn)入敏感器件。最后想說(shuō)，最重要的是實(shí)踐。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，首先要看國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。還有就是不要迷信權(quán)威和教條，遇到關(guān)于ESD的疑惑時(shí)，我們不妨回到起點(diǎn)，就是這個(gè)設(shè)計(jì)，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致大量電荷瞬間釋放的情況。以上是我們對(duì)靜電保護(hù)的一些粗淺見(jiàn)解，你有不同的看法嗎？留言文章末尾留言。參考資料：《EMC 電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析》鄭軍奇《電子設(shè)備防干擾原理與技術(shù)》周旭PCB Design Guidelines that Maximize the Performance of TVS Diodes，Littelfuse—— The End?——掃碼添加管理員微信，加入技術(shù)交流群

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