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EMC知识-电子设备抗ESD设计规则

2016-01-14 13:55:00来源:20区编辑:转角遇见你

EMC知识-电子设备抗ESD设计规则

许多产品设计工程师通常在产品进入到生产环节时才着手考虑抗静电释放

(ESD)的问题。如果电子设备不能通过抗静电释放测试,他们就会加班加点找寻不破坏原有设计的解决方案。然而,最终的方案通常都要采用昂贵的元器件,还要在制造过程中采用手工装配,甚至需要重新设计,因此,产品的进度势必受到影响。即使对经验丰富的工程师和设计工程师,也可能并不知道设计中的哪些部分有利于抗ESD。大多数电子设备在生命期内99%的时间都处于一个充满

ESD 的环境之中,ESD 可能来自人体、家具、甚至设备自身内部。电子设备完全遭ESD 损毁比较少见,然而ESD 干扰却很常见,它会导致设备锁死、复位、数据丢失和不可靠。其结果可能是:在寒冷干燥的冬季电子设备经常出现故障现象,但是维修时又显示正常,这样势必影响用户对电子设备及其制造商的信心。

ESD 产生的机理

要防止ESD,首先必须知道ESD 是什么以及ESD 进入电子设备的过程。一个充电的导体接近另一个导体时,就有可能发生ESD。首先,两个导体之间会建立一个很强的电场,产生由电场引起的击穿。两个导体之间的电压超过它们之间空气和绝缘介质的击穿电压时,就会产生电弧。在0.7ns 10ns 的时间里,电弧电流会达到几十安培,有时甚至会超过100 安培。电弧将一直维持直到两个导体接触短路或者电流低到不能维持电弧为止,ESD 的产生取决于物体的起始电压、电阻、电感和寄生电容:

1. 可能产生电弧的实例有人体、带电器件和机器。

2. 可能产生尖峰电弧的实例有手或金属物体。

3. 可能产生同极性或者极性变化的多个电弧的实例有家具。

ESD 可以通过五种耦合途径进入电子设备:

1. 初始的电场能容性耦合到表面积较大的网络上,并在离ESD 电弧100mm

产生高达4000V/m 的高压。

2. 电弧注入的电荷/电流可以产生以下的损坏和故障:

a. 穿透元器件内部薄的绝缘层,损毁MOSFET CMOS 元器件的栅极(常见)

b. CMOS 器件中的触发器锁死(常见)

c. 短路反偏的PN (常见)

d. 短路正向偏置的PN (少见)

e. 熔化有源器件内部的焊接线或铝线(少见)

3. 电流会导致导体上产生电压脉冲(V=L×dI/dt),这些导体可能是电源、地或信

号线,这些电压脉冲将进入与这些网络相连的每一个元器件(常见)

4. 电弧会产生一个频率范围在1MHz 500MHz 的强磁场,并感性耦合到临近

的每一个布线环路,在离ESD 电弧100mm 远的地方产生高达15A/m 的电流。

5. 电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上,这些信号线起到接收天线的作用

(少见)

ESD 会通过各种各样的耦合途径找到设备的薄弱点。ESD 频率范围宽,不仅仅是一些离散的频点,它甚至可以进入窄带电路中。为了防止ESD 干扰和损毁,必须隔离这些路径或者加强设备的抗ESD 能力。

塑料机箱、空气空间和绝缘体可以屏蔽射向电子设备的ESD 电弧。除利用距离保护以外,还要建立一个击穿电压为20kV 的抗ESD 环境。

1) 确保电子设备与下列各项之间的路径长度超过20mm

Ⅰ、包括接缝、通风口和安装孔在内任何用户能够接触到的点。在电压一定

的情况下,电弧通过介质的表面比通过空气传播得更远。

Ⅱ、任何用户可以接触到的未接地金属,如紧固件、开关、操纵杆和指示器。

2) 将电子设备装在机箱凹槽或槽口处来增加接缝处的路径长度。

3) 在机箱内用聚脂薄膜带来覆盖接缝以及安装孔,这样延伸了接缝/过孔的边

缘,增加了路径长度。

4) 用金属帽或者屏蔽塑料防尘盖罩住未使用或者很少使用的连接器。

5) 使用带塑料轴的开关和操纵杆,或将塑料手柄/套子放在上面来增加路径长

度。避免使用带金属固定螺丝的手柄。

6) LED 和其它指示器装在设备内孔里,并用带子或者盖子将它们盖起来,

从而延伸孔的边沿或者使用导管来增加路径长度。

7) 延伸薄膜键盘边界使之超出金属线12mm,或者用塑料企口来增加路径长

度。

8) 将散热器靠近机箱接缝,通风口或者安装孔的金属部件上的边和拐角要做成

圆弧形状。

9) 塑料机箱中,靠近电子设备或者不接地的金属紧固件不能突出在机箱中。

10) 如果产品不能通过桌面/地面或者水平耦合面的间接ESD 测试,可以安装一

个高支撑脚使之远离桌面或地面。

11) 在触摸橡胶键盘上,确保布线紧凑并且延伸橡胶片以增加路径长度。

12) 在薄膜键盘电路层周围涂上粘合剂或密封剂。

13) 在机箱箱体接合处,要使用耐高压硅树脂或者垫圈实现密闭、防ESD、防水

和防尘。

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