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电子设备ESD作为电磁兼容性测试的重要内容

ESD静电是一种非常熟悉的自然现象。静电的许多功能已应用于军事或民用产品,如静电除尘.静电喷涂.静电分离.静电复印等。然而,静电放电ESD(Electro-StaTIcDischarge)然而,它已成为电子产品和设备的危险,导致电子产品和设备的功能紊乱,甚至部件损坏。现代半导体器件的规模越来越大,工作电压越来越低,导致半导体器件对外部电磁干扰的敏感性大大提高。ESD干扰电路.对元器件.CMOS越来越多的人关注电路和接口电路造成的损坏。电子设备ESD作为电磁兼容性测试的重要内容,也开始写入国家标准和国际标准。


1.静电成因及其危害

静电是当两种不同介电系数的物质摩擦时,在两个特殊物体上积累正极和负极电荷。当两个物体接触时,其中一个倾向于吸引另一个电子,因此它们会形成不同的充电电位。就人体而言,衣服和皮肤之间摩擦的静电是人体充电的主要原因之一。

当静电源与其他物体接触时,根据电荷中和的机制存在电荷流,并传输足够的电源以抵消电压。在高速功率传输过程中,会产生潜在的损坏电压.当电流和电磁场严重时,会破坏物体,即静电放电。根据国家标准,静电放电是由于不同静电电位的特征相互接近或直接接触而引起的电荷转移(GB/T465-1995)ESD表示。ESD会造成严重的电子设备损坏或操作异常。

静电对设备造成的损坏有两种:显性损伤和隐性损伤。当时看不到隐性损坏,但设备变得更加脆弱,压力过大.在高温等条件下容易损坏。ESD有两种主要的破坏机制:ESD设备的热失效是由电流产生的热引起的;ESD感应过高的电压导致绝缘击穿。一台设备可能同时发生两种损例如,绝缘击穿可能会刺激大电流,进而导致热失效。

除了容易造成电路损坏外,静电放电也很容易干扰电子电路。有两种方法可以干扰电子电路。一种是传导干扰,另一种是辐射干扰。


2.数字产品的结构及其ESD问题

现在各种数字产品的功能越来越强大,但是电路板越来越小,集成度越来越高。并且在人机交互中或多或少都装了一些接口,因此存在静电放电ESD问题。一般数字产品需要进行ESD保护部位有:USB接口.HDMI口.IEEE1394接口.天线接口.VGA接口.DVI接口.按键电路.SIM卡.耳机和其他类型的数据传输接口。

ESD可能导致产品工作异常.崩溃,甚至损坏,导致其他安全问题。因此,在产品上市之前,国内或国外检测部门都要求进行检测ESD测试其他浪涌冲击。接触放电需要实现±8kV,需要实现空气放电±15kV,这就对ESD对设计提出了更高的要求。


3.数码产品ESD解决问题和保护

3.产品结构设计

如果将释放的静电视为洪水,主要的解决方案类似于治水,即“堵”和“疏”。如果我们设计的产品有一个理想的外壳是密闭的,静电就不会进入,当然也不会有静电问题。但是实际的外壳在封面上经常有缝隙,而且很多都有金属装饰件,所以一定要注意。

其一,用“疏”可以使用的方法EMI外壳内部喷漆。EMI油漆是导电的,可以看作是金属屏蔽层,可以在外壳上引导静电;然后把外壳和PCB(PrintedCircuitBoard)地面连接,从地面引导静电。这种处理方法不仅可以防止静电,还能有效抑制静电EMI干扰。如果有足够的空间,也可以使用金属屏蔽来保护电路,然后连接金属屏蔽PCB的GND。

其二,用“堵”方法。尽量增加外壳的厚度,即增加外壳与电路板之间的距离,或通过一些等效的方法增加外壳的气隙距离,从而避免或大大降低ESD能量强度。

通过改进结构,可以增加外壳与内部电路之间的气隙距离ESD能量大大削弱。根据经验,8kV的ESD在经过4mm能量衰减一般为零。

总之,ESD在设计外壳时,需要注意很多地方。首先,尽量不要让ESD进入外壳内部,以尽量减少进入外壳的能量。对于进入外壳内部的人ESD尽量将其从GND引导,不要让它伤害电路的其他部分。使用外壳上的金属装饰时要小心,因为它可能会带来意想不到的结果,需要特别注意。


3.2产品的PCB设计

现在产品的PCB(PrintedCircuitBoard)它们都是高密度板,通常是四层板。随着密度的增加,趋势是使用六层板,其设计始终需要考虑性能和面积之间的平衡。一方面,空间越大,放置组件的空间就越大。同时,线路宽度和线路距离越宽EMI.音频.ESD性能等各方面都有好的。另一方面,数字产品设计的紧凑性是趋势和需求。因此,在设计中需要找到一个平衡点。ESD就问题而言,设计中有很多地方需要注意,尤其是GND布线和线距的设计非常讲究。在一些产品中,ESD有很大的问题,我们一直找不到原因。通过反复的研究和实验,我们发现这是真的PCB设计中出现的问题。为此,这里总结PCB设计中应注意的要点:

(1)大功率线与其他布线之间的距离保持在0.2mm~0.3mm;

(2)PCB板边(包括通孔Via与其他布线的距离应大于0.3mm;

(3)GND与其他布线的距离保持在0.2mm~0.3mm;

(4)PCB最好全部使用板边GND走线包围;

(5)最后铺地时尽量避免尖角,有尖角时尽量使其光滑;

(6)Vbat与其他布线的距离保持在0.2mm~0.3mm;

(7)重要线Reset.Clock与其他布线的距离应大于0.3mm;

(8)不同层GND应该有尽可能多的通孔(VIa)相连;


3.3产品的电路设计

在壳体和PCB在设计上,是的ESD注意到问题后,ESD不可避免地会进入产品的内部电路,特别是以下端口:USB接口.HDMI接口.IEEE1394接口.天线接口.VGA接口.DVI接口.按键电路.SIM卡.耳机和其他类型的数据传输接口可能会将静电引入内部电路。因此,需要在这些端口中使用ESD防护器件。

压敏电阻和压敏电阻是过去主要使用的静电保护装置TVS设备,但这些设备的一般缺点是响应速度太慢,放电电压不够准确,极间电容大,使用寿命短,由于多次使用,电气性能会变得更差。因此,专业人士被广泛应用于行业“静电抑制器”取代以前的静电保护装置。“静电抑制器”它是一种专门解决静电问题的产品,其内部结构和工作原理比其他产品更科学和专业。它来自于Polymer由聚合物材料制成,内部菱形分子呈规则离散排列。当静电电压超过设备的触发电压时,内部分子迅速产生尖端到尖端的放电,并在瞬间将静电放电到地面。它最大的特点是反应速度快(0.5ns~1ns).非常低的极间电容(0.05pf~3pf),非常小的泄漏电流(1μA),非常适合各种接口的保护。

因为静电抑制器体积小(0603.0402).无极性.反应速度快等诸多优点,目前设计中使用静电抑制器作为保护装置的比例越来越多,在使用时应注意以下几点:

(1)到GND尽可能短的连接;

(2)所接GND尽可能大的面积;

(3)尽设备尽可能靠近需要保护的端口;


ESD这个问题是许多重要的问题之一。不同的电子设备有不同的方法来避免对电路的伤害。由于目前的数字产品体积小,密度大,在ESD它在保护方面具有独特的特点。通过大量的静电测试实验证明,采用本文的设计方法处理处理一个原始的±2kV放电将导致死亡的产品得到保护和改进±8kV静电放电仍能稳定工作,具有良好的静电保护效果。随着电子设备的日益广泛使用,ESD通过不断的总结和学习,设计是每个结构设计工程师和电子设计工程师需要关注的关键问题,ESD这个问题将不再是一个难题!

相关关键词: ESD静电放电
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