金屬結(jié)構(gòu)設備ESD問題的整改及防護

摘 要： 隨著微電子技術的廣泛應用及電磁環(huán)境越來越復雜，靜電放電（ESD）對電子設備的危害日益嚴重。參照IEC61000?4?2標準，對某型設備進行間接靜電放電和直接靜電放電試驗研究。通過對該型設備的結(jié)構(gòu)特點進行分析，歸納總結(jié)出其典型的結(jié)構(gòu)特征，即以金屬結(jié)構(gòu)為主體且金屬外殼接大地的設備。通過試驗及工程經(jīng)驗，介紹了以金屬結(jié)構(gòu)為主體且金屬外殼接大地的設備靜電放電問題，分析了可能產(chǎn)生的ESD問題的原因，并提出了相應的整改措施，在此基礎上，提出相應的ESD防護設計措施。

關鍵詞： 靜電放電； 電子設備； 金屬結(jié)構(gòu)； 防護措施

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0118?03

Rectification and protection of ESD problem for metal structure equipments

WU Yong1， ZHANG Jianhu1， LEI Lei1， CHEN Shichun1， ZHANG Jun2

（1. Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers Academy， Wuhan 430075， China； 2. Unit 78618 of PLA， Chengdu 610100， China）

Abstract： With the wide application of microelectronic technology and more complication of electromagnetic environment， the harm of electrostatic discharge （ESD） to electronic equipments has become increasingly serious. According to IEC61000?4?2 standard， the indirect and direct ESD tests for a certain equipment are studied. With the analysis of the structure characteristics for this type of equipment， its typical structure feature is summarized， in which its main body is metal structure and its metal case is grounded. The ESD problem for the equipment of metal structure and case grounding are introduced by experiments and engineering experiences. The reasons that may cause ESD problem are analyzed. The corresponding rectification measures are proposed. Based on the above， the corresponding design and protection measures for ESD are presented.

Keywords： ESD； electronic equipment； metal structure； protection measure

0 引 言

靜電放電（ESD）有時可形成一個高電壓、強電場、瞬時脈沖大電流，這時ESD會產(chǎn)生強烈的電磁輻射，形成電磁脈沖。這種近場電磁脈沖經(jīng)常對各種電子設備造成電磁干擾。靜電放電電磁脈沖具有：陡峭的上升沿、豐富的高頻諧波、近場幅值很高等特點[1?2]。在ESD實際的近磁場可達數(shù)百μT，電場可達數(shù)kV/m。正是由于ESD的這些特性，ESD可通過傳導途徑對敏感設備進行干擾，也能經(jīng)空間電磁輻射場將能量耦合到附近設備上，并對其造成較強的干擾或損傷[3?5]。此外，電子器件集成化程度越來越高，電子產(chǎn)品日趨小型化，電子器件的布置距離越來越近，尤其一些體積更小的門類的電子元器件對靜電是十分敏感。因此，對已出現(xiàn)ESD問題的設備進行診斷及整改，并總結(jié)出防護對策，對于防止靜電對各種電子設備的干擾與損害具有重要意義。

1 金屬結(jié)構(gòu)設備ESD問題的整改

針對不同結(jié)構(gòu)的設備，解決ESD問題的方法也不盡相同。本文重點討論的是以金屬結(jié)構(gòu)為主體，且金屬外殼接大地的設備。正常情況下，一臺外殼導電性連接良好的設備，加上設備外殼有低阻抗的接地措施，靜電放電電流能在設備外殼和地之間迅速釋放，一般情況下是不容易對設備造成干擾的。但是，如果外殼的導電連接不正?；蚴墙拥氐牡妥杩乖O計不夠時，在放電的最初幾μs內(nèi)，由于靜電放電電流波形中擁有豐富的高頻諧波，就可能在設備外殼建立一個高頻近場，對設備內(nèi)部線路造成干擾。

頻域信號由源到負載都必須有一個最低阻抗路徑，當這個最低阻抗路徑受阻，就會形成不正?；芈罚@就是產(chǎn)生所有電磁兼容問題的本質(zhì)。同理，ESD問題也得遵循這個原則。由于這類設備金屬外殼接大地，所以處理的主要原則就是：盡可能快速地泄放靜電電流。

針對此類設備的靜電試驗主要是針對設備的外殼、連接器外殼、撥碼開關、指示燈、復位按鈕、調(diào)節(jié)旋鈕、電源開關等部位進行，所以在出現(xiàn)靜電問題時應該針對這些地方進行重點檢查處理。具體整改的步驟如下：

1.1 檢查外殼放電電流路徑

確定靜電泄放路徑。方法是將設備的外部殼體平鋪開，沿放電點到設備接地點畫直線，也就是釋放靜電電流的最佳途徑。一般來說，這條直線就是靜電電流的主要泄放途徑。

檢查此條泄放途徑是否通暢，是否存在結(jié)構(gòu)孔縫，當機箱表面孔縫不可避免時，ESD一旦發(fā)生，放電電流就會尋找最低阻抗路徑進行放電，也就是通過電路板與機箱之間的耦合等效電容提供的低阻抗通路，流入到電路板。解決方法：可以在線路板與機箱之間加一塊屏蔽板，屏蔽板與電路地連接起來；如果機箱里空間不夠，可以采用銅箔、鋁箔或?qū)щ姴紝⒋丝卓p“電堵住”；或是通過增加縫隙深度，把一個大孔分解為許多小孔，在金屬構(gòu)件的結(jié)合處使用電磁密封襯墊減小或消除縫隙，從而進一步衰減電磁輻射的能量。

如果放電點和接地點在設備的不同結(jié)構(gòu)件部件（即兩個點不在一個完整的金屬體上），則檢查這兩個金屬件之間的電搭接是否良好。一般來說，要求搭接的地方應大面積接觸，且不能噴絕緣漆。

設備接地是否可靠，如果設備接地僅僅通過螺釘?shù)穆菁y連接是不可靠的，應該在落空四周作金屬化處理，使得金屬化面積和接地線的墊片大小一致，從而保證大面積搭接。

如果接地線在設備內(nèi)部長度過長，也將會導致靜電電流的輻射，干擾電路板正常工作；所以建議PE線最好接在設備金屬殼的外表面；如果在內(nèi)表面，長度盡量短，且遠離敏感電路。

1.2 檢查泄放途徑附近是否有內(nèi)部電纜、敏感電路

靜電電流泄放途徑附近是否存在設備內(nèi)走線，特別是當放電路徑上存在結(jié)構(gòu)縫隙時，縫隙附近正好有信號線時，就得考慮內(nèi)部電纜的耦合。解決方法：可以改變此電纜的走線方式，盡可能遠離放電途徑或放電途徑上的孔縫；當此電纜走線不能繞遠布線時，可以改變此電纜的布線方向，比如原來是垂直方向，可以改變水平方向，也可以起到防護的效果；最后可以在信號線上增加磁環(huán)和濾波電容，用來切斷靜電感應的共模電流。

檢查泄放途徑附近是否存在敏感電路（如復位電路、單片機電路、信號處理電路等），特別是泄放途徑中存在孔縫時，那么孔縫附近的敏感電路很容易被靜電干擾。解決方法：選用合適的屏蔽材料（磁屏蔽材料、電屏蔽材料、電磁屏蔽材料）堵住孔縫。

1.3 檢查面板復位按鈕、指示燈、鍵盤、顯示屏ESD問題處理

在面板復位按鈕、指示燈、撥碼開關進行ESD試驗時，對不能正常工作的情況解決方法如圖1所示。電路中電容的取值范圍在1 000 pF～0.01 μF，串接一個50～100 Ω的電阻R。ESD防護等級要求較高時，可以使用瞬態(tài)（瞬變）電壓抑制二極管代替電容。

圖1 ESD防護電路

鍵盤、顯示屏產(chǎn)生的靜電問題。主要是因為靜電進入了設備內(nèi)部，干擾顯示和鍵盤控制電路導致問題產(chǎn)生，最有效的辦法是在鍵盤、顯示屏的表面貼絕緣膜，使靜電在這些部位無法放電。在絕緣膜方法無法實施的設備中，可以在控制線上加磁環(huán)和濾波電容進行靜電脈沖抑制。對于有屏蔽金屬絲網(wǎng)的顯示屏，只需把金屬絲網(wǎng)良好搭接設備主體。

金屬結(jié)構(gòu)的設備的ESD問題整改方框圖見圖2。

圖2 ESD問題整改方框圖

2 ESD問題的防護

如果單純只在發(fā)現(xiàn)ESD問題后再進行整改，往往需要花費更多的人力、財力和物力，這就要求在設計時，就應先考慮ESD問題的防護。在電子設備的實際使用過程中和電路設計中，可以通過以下幾種方法來防護ESD對設備的危害：

2.1 良好的結(jié)構(gòu)

在金屬螺釘或外露金屬件可能產(chǎn)生回路時，應盡量避免金屬件外露，必要時使用絕緣墊圈或者外套等。對于外觀應考慮盡量減少不必要的空氣間隙，即使應有的間隙，也應在結(jié)構(gòu)設計上與敏感電路保持足夠的距離。外殼要有一定導電性，并對地能形成良好ESD回路，有利于ESD的防護。

2.2 屏蔽

利用金屬機箱和屏蔽罩可以使放電電流局限在機箱的外表面，防止大的ESD電流沖擊內(nèi)部電路，阻止ESD電弧以及相應的電磁場，保護設備免受間接放電的影響。當ESD發(fā)生時，會在最初幾ms在金屬屏蔽外殼產(chǎn)生一個高電壓，當屏蔽外殼電壓開始快速下降時，就會對內(nèi)部電路產(chǎn)生二次ESD干擾，所以僅使用外部屏蔽還不夠，內(nèi)部電路與屏蔽外殼必須共地，或把內(nèi)部電路進行介質(zhì)隔離[6?7]。

2.3 接地（搭接）

電子設備外殼和主板邊沿元器件位置較近時，靜電泄放到電路的可能性很大，此時需要將靜電引導到主板的地上或主板地的金屬屏蔽體上，避免靜電對電子元器件或主板線路放電。為保證接地回路具有很低的公共阻抗，保證連接器的金屬外殼和設備的金屬外殼良好接觸，使靜電電流從設備外殼泄放到大地上，可以采用導電布、導電橡膠等導電材料來保證連接器的外殼和設備外殼良好搭接。

如果電路與機箱連在一起，最簡單的方法可以通過單點連接，用來防止機箱上的感應電流流進電路，從而造成干擾。

機箱金屬之間要實現(xiàn)良好的搭接，搭接處要盡量采用面接觸，避免點接觸，減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性。在接合面上加入導電襯墊，表面涂上導電涂層，用來防止接觸面間因產(chǎn)生氧化而導致導電性能的下降。采用的接地線應盡量加粗接地線，應大于3 mm。由于高頻時的趨膚效應，應限制地線的長度，并盡可能增加地線表面的電導率。

2.4 PCB設計

PCB上應盡量縮短引線長度，主要一些是敏感信號線的引線要盡可能短。板上的電路環(huán)路越多面積越大，就會更大程度地感應ESD電流產(chǎn)生的高頻電磁場信號，所以PCB布線時要減少回路。布線時應盡可能設計附加地線，以保證最小回路面積。器件互連的平行通路距離也盡量減少，以利于降低環(huán)路面積[8]；

安裝在印制板上具有金屬外殼的元器件，如復位按鈕、撥碼開關、調(diào)整旋鈕等，其金屬外殼一定要接地，確保形成穩(wěn)定的靜電電流釋放通道。

將PCB按電氣性能合理分區(qū)，將完成同一功能的電路，盡量靠近放置。

濾波去耦。對電源進線和信號進線和連接地線處用濾波器濾波，在存儲型器件接去耦電容，使其高頻分量急劇減少，從而達到消除干擾的作用。

3 結(jié) 語

當ESD產(chǎn)生時，靜電電流就會尋找一個最低阻抗路徑進行泄放，當這個最低阻抗路徑受阻，就會形成不正?；芈罚纯赡墚a(chǎn)生的各種耦合路徑），確保正常的泄放途徑通暢是避免靜電放電電流對設備產(chǎn)生危害的主要做法。當ESD問題發(fā)生時，根據(jù)靜電放電特點，通過電流泄放、搭接接地、能量導通、屏蔽濾波、隔離等方法，一定能解決靜電問題。

參考文獻

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