关于静电ESD防护,我们怎样才能免遭毒手

对付静电,与控制传染疫情的原理类似,不外乎控制静电产生源头,切断传播途径,增强设备本身的抗静电能力。我们先看两个跟防静电有关的重要题目:大地和法拉第笼,然后介绍有哪些常用的手段,可以保护我们的设备免遭ESD的毒手。

1. 先认识一下大地

对于我们脚下的大地,大家可能是再熟悉不过了。可我们对她又真的了解多少呢?这颗形成于46亿年前的星球,经过漫长的演化,孕育出五彩斑斓的世界,她是奔腾不息生命的摇篮。在电子领域,大地也是一个非常重要的题目,但教材里对她的提及却太少。

处于地球表面的大地本身带负电荷,而大气中含有净的正电荷,平常我们虽然感觉不到,其实在空气中,存在一个垂直指向地面的电场,大气中的正电荷沿着电场注入大地。虽然比较微弱,但从整个地球来看,竟然达到1800A的电流。与之相反,云层和大地之间发生闪电时,会有负电荷流入大地,使系统总体上处于一个平衡的状态。

我们可以简单的认为,大地是一个可以容纳无穷多电荷的海洋。当有带正电荷的物体和大地连接时,会有带负电荷的电子从大地涌入物体,与正电荷中和;当有带负电荷的物体连接至大地时,物体上的负电荷,会释放到大地中。所以对于静电释放来说,大地是一个最好的去处。

当然,一个悬浮于空中的金属导体,也有容纳电荷的能力,如果它上面再有一些尖刺,还会通过尖端放电,把电荷通过空气慢慢释放掉。但是这种悬浮物体对电荷的容纳能力还是非常有限的。

2. 法拉第笼

这是一个经典的实验,现在我们可以带着轻松的心情体验一下。一个封闭的金属笼,当用10万伏的高压靠近它时,会发生猛烈的放电,但是人在笼内是非常的安全,不会有任何危险。在1836年,英国物理学家法拉第,可是冒着生命危险做的这个实验。他搭建了一个金属外壳房子,然后用静电发生装置去电击这个金属房子外壳。

我们到现在,仍然依据此实验原理,去做静电防护。需要注意的是,金属笼本身必须是良好的导体。比如飞机的金属外壳,在搭接的地方要保证电阻非常小。这样万一被雷击中了,也能保证机内设备和乘客幸免遇难。一个设备如果有封闭的金属外壳,可以对内部的电路形成很好的保护

但是考虑另外一种情形,如果有一根导线从法拉第笼内部穿出,情况恐怕就不妙了。试想一下你去跟法拉第笼中的小朋友握个手?估计是当场GG。现场设备,特别是工控领域,经常要有长长的线缆连接至别的设备。像下面这种,如果设备拖了一条电缆,此电缆接地,或者仅仅是靠近地面,就会形成一个放电的通路。即使是设备外壳接地,仍不能避免此通路上发生放电。所以要考虑在电缆进出设备的地方做防护,或者干脆直接隔离开,以避免形成放电通道。

3. 静电如何搞破坏

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。这个释放的时间越短,则能量越集中,越容易产生破坏。我们可以想像一个气球,吹的再大,只要没爆就没事儿。但是拿一根针扎一下,就会啪的一声爆掉,这就有点儿破坏性了。

如果一个物体已经积聚了大量的静电,这时候如果有一个放电通路,把它连接到了另外一个能容纳电荷的物体,或者连接到了大地,这时候电荷就会在非常短的时间,在纳秒(nS)级的时间内释放掉,电流可能达到数十安,对放电路径上的物体产生剧烈的破坏作用。如果静电的电势特别高,它会击穿和邻近物体之间的空气,通过空气放电释放掉。这也是经常发生的一种破坏。

另外我们知道变化的电流,产生变化的电磁场,静电释放发生在一瞬间,频率高,电流大,所以产生的高频电磁辐射也很厉害。那么这种电磁辐射,就会通过空间耦合到敏感电路,对其形成破坏。

4. 如何对付静电

静电源头的控制

对付静电最好的办法,就是不让它产生。至少不能让它积累到产生破坏的程度。比较常用的是离子风机,它能源源不断地产生出正负离子,并吹送到需要消除静电的地方。另外在产品的生产和运输中,使用防静电工作台,专用的防静电包装等也能防止静电的积聚。

切断静电传导通道

当我们改变不了世界的时候,至少能改变我们自己。对于静电也是这样,大多数情况下我们能做的,是不让静电进入设备,加强设备的抗静电能力。

不用花什么成本,但很有效的方法,是增大设备内部敏感电路板到外壳的距离。这里我们经常会忽视的是固定电路板的螺钉,这些螺钉一般都是金属的,直接拧到外壳。这样的情况下,虽然电路板离外壳挺远,但静电还是能沿着螺钉轻易的爬进电路板,功亏一篑。所以记得螺钉要和内部电路保持距离。

屏蔽,是阻止静电进入设备最为有效的方法。由于静电释放的一瞬间,会产生强烈的电磁场辐射,所以我们还需要对电磁场辐射进行屏蔽。对于频率低的磁场,主要是用高导磁率的材料做壳体,使磁场被引导,集中从壳体经过。对于高频的磁场,要用导电性能良好的金属,其原理是磁场在导体中会激发出涡流,此涡流产生反向的磁场,与源磁场互相抵消,从而达到对内部区域的屏蔽。如果需要同时对电场,高频和低频磁场做屏蔽,壳体需要选取复合屏蔽材料。屏蔽金属壳最好要接地,这样电荷可以泄放到大地,而且不但能屏蔽外部的电场和磁场,也能屏蔽内部的电磁辐射对外部的干扰。

静电释放Electro-Static Discharge (ESD)

对于设备外部的静电,我们要把它堵在外面,在入口的地方用TVS(Transient Voltage Suppressor)管,把静电泄放到机壳上。另一方面,对于已经进入设备的静电,要把它缓慢释放掉,缓慢释放掉,缓慢释放掉,重要的事情要说三遍。对于电路板设计,下面是比较常用的处理方式:

电路板最外侧是一圈保护地,通常用螺丝固定到金属外壳,外壳再通过低电阻的导线连接至大地。这样外部的静电直接被泄放到大地,不会对内部电路板上的器件产生任何伤害。内部的信号地,就是我们电路信号的参考地,通过1M欧姆电阻连接至保护地,它可以把电路板信号地上积累的静电缓慢释放掉,电路板上的其它电路可以先把静电释放到信号地。1nF的电容,对信号地到保护地提供一个高频的通路,电路板上通过高频辐射感应产生的能量,可以通过它释放到地。

看到这里我们可能会有两个疑问:为什么保护地要留个缺口呢?我们为什么不把信号地直接和保护地连起来呢?这样不是静电更容易泄放到大地吗?

第一个问题,如果把缺口连上,保护地就会成为一个环形的回路,如果有电磁场以垂直电路板的方向通过,则会在此回路中感应出电流,对电路板来说就是强干扰。对于通过空间传播的电磁辐射干扰来说,最怕的就是电路板上存在电流可以流动的回路。如果我们留心,可以看到电路板上的保护地,如晶振周围的保护地(Guard Ring),也不是封闭起来的一圈,而是会留出缺口。

第二个问题,对于一些设备,如果有良好导电的金属外壳,外部没有长导线,信号地直接接机壳也是可以的。比如我们家里的电脑,主板上的地线就是直接连到机壳的。对于有长导线暴露在外,易于和大地之间形成放电通路的,就要考虑在引线接口处,用隔离阻断放电通路,或者用静电保护器件把静电导入大地。

需要注意连接至敏感器件的导线,如果此导线走线比较长,而且靠近静电放电的通路,很容易被电磁辐射干扰。应尽量远离干扰源,避免与放电通路平行走线,在导线串接小电阻,或者磁珠等,可以抑制干扰进入敏感器件。

最后想说,最重要的是实践。我们设计一个产品时,首先要看国家标准,或国际标准的要求。还有就是不要迷信权威和教条,遇到关于ESD的疑惑时,我们不妨回到起点,就是这个设计,会不会导致大量电荷瞬间释放的情况。

以上是我们对静电保护的一些粗浅见解,你有不同的看法吗?欢迎关注我们,加入我们的讨论群。

参考资料:

PCB Design Guidelines that Maximize the Performance of TVS Diodes,Littelfuse

《EMC 电磁兼容 设计与测试案例分析》郑军奇

《电子设备防干扰原理与技术》周旭

 

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