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电子产品-ESD设计分析-1

导读: 静电不能被消除,只能被控制。

静电不能被消除,只能被控制。

控制ESD的基本方法:

从机构上做好静电的防护,用绝缘的材料把PCB板密封在外壳内,不论有多少静电都不能到释放到PCB上。

有了ESD,迅速让静电导到PCB板的主GND上,可以消除一定能力的静电。

对于金属外壳接地的产品我来分析一下ESD问题。

先来分析金属外壳的整机系统的ESD的设计,参考如下结构:

1、静电释放于机壳,由于没有理想的接地,会在机壳上建立电压V。

电压的幅度与接地线阻抗、机壳与大地的电容、机壳与内部电路的电容有关。

dv/dt也主要与电容有关。

2、系统地与机壳地分离的电子产品,内部电路也不会设计成与机壳连通,所以干扰进入内部电路主要是耦合方式。通过耦合方式进入电子产品内部的情况,与机壳上建立的dv/dt,接地线上建立的di/dt有关,与机壳上建立的电压绝对值不直接相关。这也是大机箱的电子设备不易受干扰干扰的原因,对地电容比较大,不易建立较大的dV/dt和di/dt。

建立电压的绝对值与绝缘强度不够造成间隙放电有关。

3、如果耦合是干扰的主要路径,我们可以采取一些措施,措施可以是很多不同的方法。一般来说耦合路径会比较多,有一些还不易察觉,直接采取阻断耦合路径的方法不易实现,除非通过结构分析、干扰分析发现了明确的结构问题或者路径。拉开距离可以减小耦合电容,间隙衬垫聚四氟乙烯等材料也可以减小电容,从而减少耦合强度。

实际我有看到客户的电子产品有这样的问题:

A.内部电路有连接线走线时直接贴住机壳了,这就会存在设计结构的问题。

B.一根高阻抗的输入线与一根本来没有干扰的导线捆扎走线,而这个根本没有干扰的导线有一段比较靠近机壳,这也会有耦合ESD的问题。

4、或多或少总有一部分干扰经耦合进入内部电路,是否能处理好这些耦合进来的干扰;系统接地是关键。

连续的、靠得住的系统接地,可以承载内部电路不受外部干扰,不管系统地是否实际接大地。参考上图中的耦合路径分析箭头路径分析。

在我进行ESD的内部结构电路的PCB分析时,我们可以看到在IO线端口见到电阻电容的设计,这些电容可以把耦合过来的干扰导入系统地。

当干扰源阻抗比较低时,同时信号允许的情况下,可以串电阻或者磁珠改善。

注意:对于高频电路,电容对干扰和有用信号同时起作用,所以不能用于高频信号电路。但使用TVS器件时(较小的结电容)电压高于信号电压,基本对有用信号没有影响。

有必要说明一下:当信号电平为0时,从0电平开始干扰信号就需要消耗能量给电容充电,适当电容量可以吸收掉干扰能量,使干扰电平达不到逻辑动作电平,电子产品电路不受干扰。TVS在这个过程中基本不起作用,即便干扰电平已经达到逻辑动作电平。

很多时候由于干扰能量是吸收不完会穿过PCB,会通过CPU/MCU,如上图中的箭头所示路径。

所以后面我再分析电子产品内部ESD的问题设计时知道:一方面我们要规划干扰在PCB上的路径(注意这是在布板PCB板时需要提前规划);另一方面要尽量控制干扰幅度。

5、空气放电主要是空间的辐射成分,已没有明确的路径,对于容性耦合情况,受扰部位会有较大面积以及较近的距离,不太容易识别路径,所以从敏感部位入手比较容易。

实际的ESD都是非常高电压的空气放电模式,空间放电于接缝、插座、按键等。

相对接触放电,空气放电干扰情况要复杂很多。

最常见的是金属壳与按键、显示屏的缝隙;也很容易出现显示的故障。

在对金属壳体做接触放电通过的前提下,需要对这些缝隙做空气放电,可能出现干扰情况如:显示闪烁、误读按键、机器重启复位等。

我们要首先排除放电火花直接进入电子产品或设备的情况,干扰过程相对简单,我们可以寻找一下放电怎么会绕过壳体。

处理也简单:缩小缝隙,内部电路控制好绝缘间距。

比较常见的是放电火花落在金属壳体上出现干扰。

接触与空气放电于壳产生的干扰是不同的。

接触放电于金属壳体,产生比较大的di/dt,在结构件接地良好的情况下,仅有微弱的dv/dt。空气放电于金属壳体,枪头有较大dv/dt,枪前部高压部分体积越大,这个dv/dt越强;这个dv/dt很可能超过接触放电在接地不良金属构件上产生的大的电压V。

同时火花有较大的di/dt,也就是说有突变电场与磁场。突变电场以近场容性耦合的方式从绝缘构件部位耦合到内部电路,突变磁场以近场感性耦合方式穿透绝缘件进入内部电路。

我在进行电子产品整机ESD设计时通常建议分三步走:

(1)防止外部电荷流入电路板而产生瞬态耦合干扰;

(2)防止外部磁场对电路板产生瞬态耦合干扰;

(3)防止静电场产生的瞬态耦合干扰。

在发生 ESD 问题时,解决方案有:

- 改进系统的接地设计(包括机箱机柜、控制面板、通信电缆连接)。

- 改进电路板的接地设计,对外接口 ESD 接地的设计。

- 发现系统死机、复位或通信错误的根本原因,在PCB 板进行相应信号处理和在软件上进行处理, 也是解决 ESD 问题 的最好办法,费用最低,但难度较大、较为耗时。

我再总结一下,对于电子产品/设备-整机级的堵和导

1、外壳和结构件:金属以及可导电的电镀材料等,属于容易吸引和聚集静电的材料;ESD要求很高的项目要尽可能避免使用这些材料。

2、必须使用导体材料时:结构上要事先预留有效而布局均匀的接地点;一般来说,顶针或者金属弹片的接地效果优于导电泡棉和导电布。

3、无法做接地处理的例如电镀侧键等,需要重点在主板上做特别处理。包括:

(1)增加压敏电阻、TVS或者电容等器件;

(2)预留GND管脚;

(3)板边露铜吸引静电放电;

4、外壳上的金属件,距离器件和走线必须大于2.2mm以上距离。

5、堆叠上避免器件裸露于孔、缝边;如果无法避免的话,则要在组装上想办法堵;常见的做法有粘贴高温胶带或者防静电胶带等阻隔;所有结构设计需要留有增加隔离片的空间。

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