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EMC篇之---ESD防护

ESD防护

  • ESD是如何产生的

不同的物质,对外层电子的控制能力不同。当两种物体相互摩擦,对电子控制能力强的物体就会从对电子控制能力弱的物体上吸附更多的电子,从而使这两个物体都带上电荷,吸附到电子的带上了负电荷,失去电子的带上了正电荷。当带电物体和另一个物体接近或者直接接触时,若这两个物体的电荷不平衡,电荷会从一个物体转移到另一个物体上,从而实现电荷的再平衡。

        电荷转移有两种方式:        

                   一,直接接触式,电荷通过接触点从一个物体转移到另一个物体;

         二,当两带电体足够接近时,空气被电离击穿,电荷通过电离的通道从一个物体,转移到另一个物体上。

 

二,ESD的特点

        当两个不平衡的带电体相互接近时,电荷迅速向接近点转移,当足够接近(或者)时,这时电场会很大,所以电压也很高,由于电荷转移通道阻抗很小,电荷转移几乎在一瞬间完成,所以电流会很大。

 

ESD参数值:

        ESD电压:接触电压4KV以上,  非接触电压8KV以上

        ESD电流:峰值30A以上

        电流上升时间: 200ps到10ns。

由于ESD电流上升时间快,经傅里叶变换分析,ESD电流包含300M以上的频率频谱。

 

三,ESD是如何影响系统的

        ESD影响系统包含三个方面:

一,直接损坏器件,如损坏PN结,破坏MOS电路栅极,热击穿。

         二,轻微损伤,导致性能变坏,长时间会导致功能丧失。

         三,造成功能错误,当ESD消失后,功能又会自动恢复。

 

        根据ESD信号的特点和ESD形成过程,ESD损坏设备包括三种方式:

                   一,ESD电流,由于ESD电流很大,进入IO口很容易造成PN结等的操作,进入地

                            容易引起地弹,引起功能错误。

                   二,ESD电流产生的RF辐射,通过间接的方式耦合到其它电路中。

                   三,放电前,两物体间的电场。电场一般不会对电路产生太大的影响,最容易影响

                            到的是敏感的高阻电路。

 

四,如何防护ESD

        产生干扰有三个要素: 干扰体,干扰路径, 受扰体。

        要做好ESD防护,就需要从这三个方面着手:

                  干扰体:对于接触受保护器件的所有人或者物,必须先要除去静电,才能接触被保

                                     护器件,这就从根本上解决了问题。

                   干扰路径:受保护器件实现如外界的隔开,使静电无法接触到被保护物体,如放在

                                       一个塑胶盒中;

                                       受保护的物体容易接触到静电的地方和敏感部分实现电气隔离,如光耦

                                     隔离,磁隔离    

                受扰体:增加受扰体本身抗ESD干扰能力。

 

       提高抗ESD能力有三个部分:元器件级,PCB级,系统级。

       元器件级:

                对于容易受到ESD干扰的敏感部分,有两种防护措施:

                ESD干扰进入后,经过衰减到可以承受的等级,再经过敏感部分,这种器件有:

                          串入电阻,电感,铁氧体材料,磁珠

               将ESD能量引导到其它抗干扰能力更强的部分,一般是地。

                          火花间隙,空气放电管

                          TVS,雪崩二极管

                          电容

                根据实际情况,可以单独使用其中的一种方案,或者两种方案混合。

 

       PCB级:

                一,加强地线。

                          ESD能量直接进入地或者通过其它手段引导到地,由于ESD瞬时电流很大,很

                          小的地阻抗都会产生很大的电压差,这会导致逻辑错误甚至为会损坏电路。

                          1,在PCB的底层和顶层进行地覆铜。

                          2,采用多层PCB电路板,使用单独一层做地。使用多层板比双层板能提高10

                             到100倍的防护间接ESD影响的能力。

                二,加护沟进行合理的分区。

                          1,按照功能,把电路划分为几块,防止电路之间的相互影响。

                          2,ESD进入地后,应该防止ESD电流进入特别敏感的电路部分,这时就应该

                             根据功能将电路和地进行合理的分区,分区之间采用单点接地,引导ESD

                             电流的流向。

                三,对于特别敏感的导线的电路进行处理,如高阻抗部分。

                四,对于两地电路板之间的连接,应确保连接器之间的低接地阻抗。如两地板通过

                     插针连接时,应该有足够多的地插针,而且地插针位置也要合理。

                五,减少环路面积,包括信号环路和电源环路。

                          环路电流既容易对外产生RF辐射,也容易接收外接的辐射。

                六,确保电源和地之间的紧耦合。

                          两种方法: 地和电源之间尽量靠近;  地和电源之间有足够的退耦电容。

                          当干扰进入后,如果影响到电源或者地,由于电源和地的紧耦合,电源和地会

                          一起跳动,但电位差不会变,这样就加强了系统的稳定性。

                七,信号线要尽量靠近地线,地平面,电源线,这样可屏蔽外界辐射影响信号线,

                          也可以降低信号线对外部的辐射。

                八,尽量减少导线长度。导线就像个天线,导线越长,天线作用越明显。

 

       系统级:

                一,容易受到ESD干扰的敏感部分采取一定的屏蔽措施或者绝缘措施,使ESD无

                          法到达敏感部分,如加屏蔽罩,通过壳体与外界保持足够的距离。

                二,I/O电缆加干扰抑制器。

                三,机架地的连接为低阻抗。

保护连带的实施

      什么是保护边带:

      保护边带是在PCB四周(顶层和底层)设置一圈导线。

 

       保护边带的作用:

       防止ESD经辐射或者传导耦合直接对元件产生影响。

 

       实施保护边带应注意的事项:

       1,应去掉保护边带的绝缘层,将保护边带的铜皮直接裸露在外面,这样更容易吸收静电荷。

       2,保护边带应与元器件,导线保持最少0.5cm的距离,确实保护边带与电路间电压击穿,两者之间不会发生ESD电流电弧放电。

       3,保护边带不应够成一个封闭的环。封装的环相当于一个磁场环路天线,容易接受外部的辐射。

                   4,将保护边带分为几段,分段之间的宽度要大于0.5mm,因为越近,寄生电容就越大,对于高频来说,相当于通路。

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