关于静电ESD防护,为什么记住100条规则也没啥鸟用

1. 关于静电,不谈理论

静电,确切的说是静电放电的防护,是EMC设计中的一个重点内容,已经有大量书籍,文章对此做了很多的讨论。那我们为什么还要再写一篇来讨论这个问题呢?因为在实际产品中,看到的一些对ESD设计规则的生搬硬套,真是让人比较捉急。EMC设计是实践性很强的一门学问,如果我们不去思考它背后的原理,只是把别人的一些结论,用到产品设计中,不一定能起到很好的效果,甚至会产生相反的作用。

历史上我们看到很多猛将,都犯了类似的错误,比如失街亭的蜀国大将马谡,纸上谈兵的赵国大将赵括。所以对理论的实际运用,是我们要倍加重视的。很多写EMC的文章,往往从麦克斯韦方程组开始,各种推导使人眼花缭乱、目不暇接、高山仰止、纵使法拉第再生,估计也会佩服的五(直)体(接)投(懵)地(圈)。我们今天就不讨论这个方程组了(真实情况是,咱们也不懂)。

今天我们尝试用大家都容易看懂的方式,探讨一下静电的产生、静电放电现象、和静电的防护。

2. 静电的产生

静电似乎是我们很熟悉的一种现象。干燥寒冷的冬天,特别是夜里,当我们上床睡觉,脱下一件毛衣时,噼噼啪啪一阵乱响。或者有时候是我们手碰到金属门把手时,轻微的啪的一声,伴随着麻麻的感觉。为什么会有这些现象呢?

我们生活中所见的物质,大部分都是由分子和原子构成。原子的中心是带正电的原子核,包括带正电荷的质子和不带电的中子,而围绕其高速运动的是带负电荷的电子。一般情况下,质子的数量与电子的数量相等,所以整体对外看起来是不带电的。

电子围绕原子核运动,有点类似于行星围绕太阳运动。举个例子,钠的原子大概是下面这个样子:

中间是11个带正电的质子,还有12个不带电的中子,周围有11个带负电的电子,排列在3个电子轨道上,离原子核最近的第一个轨道有2个电子,第二个轨道8个电子,最外层的轨道上有一个电子,这个单飞的电子具有最高的能量,而且特别容易脱离原子核的束缚。当然这是个示意图,实际电子不应该在一个平面上转,而是应该在立体的球面上。我们把钠原子这种电子层排布写成下面这种形式:

Na (+11) -2-8-1

看到这里,不能不使我们想起另一种元素。对,就是最外层有7个电子的氯

Cl (+17) -2-8-7

跟容易失去一个电子的Na正好相反,它的最外层容易获得1个电子,从而达到具有8个电子的稳定结构。如果把加热的Na放入氯气Cl中,会发生剧烈的燃烧,然后形成盐NaCl。

对于一些原子量更大的元素,比如铜,银,金,它们的最外层都是有单飞的电子,而且这种电子具有的能量更高,离核距离更远,所以更容易挣脱原子核的束缚,形成自由的电子,在原子之间流动。

几种金属原子的核外电子排列:

铜Cu (+29) -2-8-18-1

银Ag (+47) -2-8-18-18-1

金Au (+79) -2-8-18-32-18-1

摩擦起电:

生活中的物质,有的由单一元素组成,有的由复杂的多种元素构成,它们对电子的束缚能力也各异,当不同的物体摩擦,就会发生电子在不同物质之间的迁移,获得多余电子的带负电,失去电子的带正电。按这种特性把物质排序,越容易失去电子的物质越靠左,那么就得到一个静电序列:

金属摩擦时的静电序列: (+)铝、锌、锡、铜、铅、锑、钳、黄铜、汞、铁、铜、银、金、铂、钯、MnO2、Pb0(-)。

非金属的静电序列: (+)玻璃、头发、尼龙、毛、丝绸、人造丝、奥纶、棉织品、纸、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯脂、硫、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(-)。

空气摩擦,也是物体积聚静电的一个重要原因。飞机在空中飞行后降落地面,通过轮胎和地面接触,也会释放掉大量的静电,否则可能发生严重的事故。

感应起电:

除了摩擦起电,两种物体不直接接触,通过感应也会导致静电的积聚。

如图带电荷的物体会在它的周围形成电场,如果移动带正电荷物体A,让它靠近一个不带电的导体B,那么由于异种电荷相吸,同种电荷相斥,会在靠近A的左端感应出负电荷,在右端感应出正电荷,感应电荷在导体B内形成与A的电场相反的电场。当这两个方向相反的电场大小相等时,形成电平衡,导体B内的电子不再移动。此时导体B对外部来说仍然是不带电的。如果此时把A移开,B上的电子又会回复到均匀分布的状态,对导体B来说,就像什么事情都没有发生过。

我们怎么能在不接触的情况下,让导体B带上点儿静电呢?

两种办法:

一是把导体B从中劈开,然后再把A挪走。另一种办法是从导体B连一根导线到大地,此时正电荷会释放到大地上,此时再把导线断开,A挪走,导体B上会带上负电荷。

接触起电:

如果使一个带静电的物体,接触一个不带电的物体,那么不带电的物体,会由于电子的迁移,带上同种电荷的静电。

3. ESD (Electro Static Discharge)

静电的积聚本身不会产生什么危害,产生破坏的,是静电放电的一瞬间。就像一架飞机在空中飞行的时候,可能会带上数万伏的高压,并不会对人体有什么危害。但是如果落地后仍然没有释放掉,那么人从舷梯走下来,踏上大地的一瞬间,可能就是致命的。静电在我们印象里,通常不会产生巨大的破坏作用,其实不然,想一想雷电其实也是一种静电放电现象,我们就明白了。

带正负电荷的物体之间会发生放电,一个带电和不带电物体之间会发生放电,甚至带同种电荷的物体,只要它们的电势不同,也会发生放电现象。电势差越大,迁移的电子越多,放电通路的电阻越小,放电就越剧烈。

静止的电荷周围只会形成电场,但是当放电发生时,情况就不一样了,大家知道移动的电荷形成电流,电流的周围会产生磁场。变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场又产生变化的电场。静电的放电往往发生在一瞬间,电压电流的变化非常剧烈,产生的电磁辐射也很强,频带宽。所以静电放电和电磁干扰密不可分。

4. ESD防护

如何防止静电产生破坏作用?不外乎传统的三大必杀技:一,控制干扰源。二,切断传播途径。三,提高设备的抗干扰能力。在下一篇文章中我们将继续讨论一下,有哪些具体的,实用的防静电措施,以及在实践中常常犯的一些错误。

参考资料:

《从一到无穷大》乔治ˑ伽莫夫

《电子设备防干扰原理与技术》周旭

《单片机系统实用抗干扰技术》刘光斌 刘冬 姚志成

0

发表评论