電子產品的靜電放電測試及相關要求

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電子產品的靜電放電測試及相關要求

靜電是兩種介電系數不同的物質磨擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發生的靜電是人體帶電的主要原因之一。
靜電源跟其它物體接觸時，存在著電荷流動以抵消電壓，這個高速電量的傳送，將產生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，這就是靜電放電。
在電子產品的生產和使用過程中，操作者是較活躍的靜電源，可能積累一定數量的電荷，當人體接觸與地相連的元件、裝置的時候就會產生靜電放電。靜電放電一般用 ESD 表示。
ESD 會導致電子設備嚴重地損壞或操作失常。
大多數半導體器件都很容易受靜電放電而損壞，特別是大規模集成電路器件更為脆弱。
靜電對器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。隱性損壞在當時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。
ESD 兩種主要的破壞機制是：由于 ESD 電流產生熱量導致設備的熱失效；由于 ESD 感應出高的電壓導致絕緣擊穿。
除容易造成電路損害外，ESD 也會對電子電路造成干擾。 ESD 電路的干擾有二種方式。
一種是傳導方式，若電路的某個部分構成了放電路徑，即 ESD 接侵入設備內的電路 ,ESD 電流流過集成片的輸入端，造成干擾。
ESD 干擾的另一種方式是輻射干擾。即靜電放電時伴隨火花產生了尖峰電流，這種電流中包含有豐富的高頻成分。從而產生輻射磁場和電場，磁場能夠在附近電路的各個信號環路中感應出干擾電動勢。
該干擾電動勢很可能超過邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發。輻射干擾的大小還取決于電路與靜電放電點的距離。 ESD 產生的磁場隨距離的平方衰減。 ESD 產生的電場隨距離立方衰減。當距離較近時，無論是電場還是磁場都是很強的。 ESD 發生時，在附近位置的電路一般會受到影響。
ESD 在近場，輻射耦合的基本方式可以是電容或電感方式，取決于 ESD 源和接受器的阻抗。在遠場，則存在電磁場耦合。
與 ESD 相關的電磁干擾（ EMI）能量上限頻率可以超過 1GHz。在這個頻率上，典型的設備電纜甚至印制板上的走線會變成非常有效的接收天線。因而，對于典型的模擬或數字電子設備，ESD 會感應出高電平的噪聲。
一般來說，造成損壞，ESD 電火花必須直接接觸電路線，而輻射耦合通常只導致失常。

在 ESD 作用下，電路中的器件在通電條件下比不通電條件下更易損壞。

電子產品的靜電放電測試及相關要求

對不同使用環境、不同用途、不同 ESD 敏感度的電子產品標準對靜電放電抗擾度試驗的要求是不同的，但這些標準關于 ESD 抗擾度試驗大多都直接或間接引用 GB/T17626.2-199（8 idt IEC 61000-4-2:199）5：《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》這一國家電磁兼容基礎標準，并按其中的試驗方法進行試驗。下面就簡要介紹一下該標準的內容、試驗方法及相關要求。

試驗對象：

該標準所涉及的是處于靜電放電環境中和安裝條件下的裝置、系統、子系統和外部設備。

試驗內容：

靜電放電的起因有多種，但該標準主要描述在低濕度情況下，通過摩擦等因素，使操作者積累了靜電。電子和電氣設備遭受直接來自操作者的靜電放電和對臨近物體的靜電放電時的抗擾度要求和試驗方法。

試驗目的：

試驗單個設備或系統的抗靜電干擾的能力。它模擬：（1）操作人員或物體在接觸設備時的放電。（2）人或物體對鄰近物體的放電。

ESD 的模擬：

圖 11 和圖 12 分別給出了 ESD 發生器的基本線路和放電電流的波形。
放電線路中的儲能電容 CS代表人體電容，現公認 150pF 比較合適。放電電阻 Rd為330? ，用以代表手握鑰匙或其他金屬工具的人體電阻。現已證明，用這種放電狀態來體現人體放電的模型是足夠嚴酷的。

圖 12：靜電放電的電流波形

試驗方法

該標準規定的試驗方法有兩種：接觸放電法和空氣放電法。
接觸放電法：試驗發生器的電極保持與受試設備的接觸并由發生器內的放電開關激勵放電的一種試驗方法。
空氣放電法：將試驗發生器的充電電極靠近受試設備并由火花對受試設備激勵放電的一種試驗方法。
接觸放電是優先選擇的試驗方法，空氣放電則用在不能使用接觸放電的場合中。

試驗等級及其選擇：

試驗電平以較切合實際的安裝環境和條件來選擇，表 1 提供了一個指導原則。表1 同時也給出了靜電放電試驗等級的優先選擇范圍，試驗應滿足該表所列的較低等級。

表 1：試驗等級選擇

試驗環境

對空氣放電該標準規定了環境條件：

環境溫度： 15℃~35℃、相對濕度： 30%~60%RH、大氣壓力： 86kPa~106kPa對接觸放電該標準未規定特定的環境條件。

試驗布置
標準對試驗布置也做出了詳細的規定，圖 13 所示為臺式設備的試驗布置示意圖。

試驗實施

實施部位：直接放電施加于操作人員在正常使用受試設備時可能接觸到的點或面上；間接放電施加于水平耦合板和垂直耦合板。
直接放電模擬了操作人員對受試設備直接接觸時發生的靜電放電情況。
間接放電則是對水平耦合板和垂直耦合板進行放電，模擬了操作人員對放置于或安裝在受試設備附近的物體放電時的情況。
直接放電時，接觸放電為首選形式；只有在不能用接觸放電的地方（如表面涂有絕緣層，計算機鍵盤縫隙等情況）才改用氣隙（空氣）放電。
間接放電：選用接觸放電方式。
試驗電壓要由低到高逐漸增加到規定值。

不同的產品或產品族標準對試驗的實施可能根據產品的特點有特定的規定。

臺式設備靜電放電布置示意圖

試驗結果
若靜電放電測試通不過，可能產生如下后果：
（1）直接通過能量交換引起半導體器件的損壞。

（2）放電所引起的電場與磁場變化，造成設備的誤動作。

電子產品的靜電放電對策及改進要點
有很多辦法減小 ESD 產生的電磁干擾（EMI）影響電子產品或設備：完全阻止 ESD 產生，阻止 EMI（本文中專指因 ESD 產生的 EMI）耦合到電路或設備以及通過設計工藝增加設備固有的 ESD 抗擾性。
ESD 通常發生在產品自身暴露在外的導電物體，或者發生在鄰近的導電物體上。對設備而言，容易產生靜電放電的部位是：電纜、鍵盤及暴露在外的金屬框架以及設備外殼上的孔、洞、縫隙等。
常用的改進方法是在產品 ESD 發生或侵入危險點，例如輸入點和地之間設置瞬態保護電路，這些電路僅僅在 ESD 感應電壓超過極限時發揮作用。保護電路可以包括多個電流分流單元。
有多種電路可以達到 ESD 保護的目的，但選用時必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權衡：速度要快，這是 ESD 干擾的特點決定的；能應付大的電流通過；考慮瞬態電壓會在正、負極性兩個方向發生；對信號增加的電容效應和電阻效應控制在允許范圍內；考慮體積因素；考慮產品成本因素。

我們可以從以下幾種抑制 ESD 干擾的方法中選擇適用的對策：

外殼設計：
外殼在人手和內部電路間建立隔離層，阻止 ESD 的發生，金屬外殼同時也是阻止 ESD 間接放電形成的輻射及傳導耦合的關鍵。
一個完整的封閉金屬殼能在輻射噪聲中屏蔽電路，但由于從電路到屏蔽殼體的 ESD 副級電弧可能產生傳導耦合，因而一些外殼設計使用絕緣體，在絕緣殼中，放置一個金屬的屏蔽體。這種設計的好處是既可以防止因操作者對金屬外殼的直接接觸放電造成干擾，又可以防止操作者對周圍物體放電時形成的 EMI 耦合到內部形成干擾，同時在操作者對外殼的孔、洞、縫隙放電時給放電電流一個泄放通道，防止對內部電路直接放電。這種做法的簡化是在設備金屬外殼上涂絕緣漆或貼一層絕緣物質，使絕緣能力大于 20kV。
因為靜電會穿過孔洞、縫隙放電，所以絕緣外殼的孔洞、縫隙與內部電路間應留有足夠的空間，2cm左右的空氣隙可以阻止靜電放電的發生。對外殼上的孔、洞、排氣口等，用幾個小孔代替一個大孔，從EMI 抑制的角度來說更好。為減小 EMI 噪聲，縫隙邊沿每隔一定距離處使用電連接。
對金屬外殼而言，外殼各部分之間的搭接非常重要，若機箱兩部分之間的搭接阻抗較高，當靜電放電電流流過搭接點時，會產生電壓降，這可能會影響電路的正常工作。
解決這個問題的方法有兩個：1）盡量使外殼保持導電連續，減少搭接阻抗。 2）在電路與機箱之間增加一層屏蔽，減小電路與機箱之間的電容耦合。內層屏蔽要與外殼連接起來。

如果是塑料外殼，則要求對電路的接地進行仔細布置，以防止放電電流感應到電路上去。塑料外殼的優點是不會產生直接放電現象。如果塑料外殼上沒有大的開孔，則塑料外殼能對電路起到保護作用，但塑料外殼對防止操作者對周圍物體放電時耦合到內部形成干擾無抑制能力。

接地設計：

一旦發生了靜電放電，應該讓其盡快旁路人地，不要直接侵入內部電路。例如內部電路如用金屬機箱屏蔽，則機箱應良好接地，接地電阻要盡量小，這樣放電電流可以由機箱外層流入大地，同時也可以將對周圍物體放電時形成的騷擾導入大地，不會影響內部電路。
對金屬機箱，通常機箱內的電路會通過 I/O 電纜、電源線等接地，當機箱上發生靜電放電時，機箱的電位上升，而內部電路由于接地，電位保持在地電位附近。這時，機箱與電路之間存在著很大的電位差。這會在機箱與電路之間引起二次電弧。使電路造成損壞。通過增加電路與外殼之間的距離可以避免二次電弧的發生。當電路與外殼之間的距離不能增加時，可以在外殼與電路之間加一層接地的金屬擋板，擋住電弧。
如果電路與機箱連在一起，則只應通過一點連接。防止電流流過電路。線路板與機箱連接的點應在電纜入口處。

對塑料機箱，則不存在機箱接地的問題。

電纜設計：
一個正確設計的電纜保護系統可能是提高系統 ESD 非易感性的關鍵。作為大多數系統中的較大的“天線” —I/O 電纜特別易于被 ESD 干擾感應出大的電壓或電流。從另一方面，電纜也對 ESD 干擾提供低阻抗通道，如果電纜屏蔽同機殼地連接的話。通過該通道 ESD 干擾能量可從系統接地回路中釋放，因而可間接地避免傳導耦合。為減少 ESD 干擾輻射耦合到電纜，線長和回路面積要減小，應抑制共模耦合并且使用金屬屏蔽。對于輸入/輸出電纜可采用使用屏蔽電纜、共模扼流圈、過壓箝位電路及電纜旁路濾波器措施。在電纜的兩端，電纜屏蔽必須與殼體屏蔽連接。在互聯電纜上安裝一個共模扼流圈可以使靜電放電造成的共模電壓降在扼流圈上，而不是另一端的電路上。

兩個機箱之間用屏蔽電纜連接時，通過電纜的屏蔽層將兩個機箱連接在一起，這樣可以使兩個機箱之間的電位差盡量小。這里，機箱與電纜屏蔽層之間的搭接方式很重要。強烈建議在電纜兩端的機箱與電纜屏蔽層之間 360°搭接。

鍵盤和面板：
鍵盤和控制面板的設計必須保證放電電流能夠直接流到地，而不會經過敏感電路。
對于絕緣鍵盤，在鍵與電路之間要安裝一個放電防護器（如金屬支架），為放電電流提供一條放電路徑。放電防護器要直接連接到機箱或機架上，而不能連接到電路地上。當然，用較大的旅鈕（增加操作者到內部線路的距離）能夠直接防止靜電放電。鍵盤和控制面板的設計應能使放電電流不經過敏感電路而直接到地。采用絕緣軸和大旋鈕可以防止向控制鍵或電位器放電。

現在，較多的電子產品面板采用薄膜按鍵和薄膜顯示窗，由于該薄膜由耐高壓的絕緣材料構成，可有效防止 ESD 通過按鍵和顯示窗進入內部電路形成干擾。另外，現在大多數鍵盤的按鍵內部均有由耐高壓的絕緣薄膜構成的襯墊，可有效防止 ESD 的干擾。

電路設計：
設備中不用的輸入端不允許處于不連接或懸浮狀態，而應當直接或通過適當電阻與地線或電源端相連通。
一般來說，與外部設備連接的接口電路都需要加保護電路，其中也包括電源線，這一點往往被硬件設計所忽視。以微機為例來講，應該考慮安排保護電路的環節有：串行通信接口、并行通信接口、鍵盤接口、顯示接口等。
濾波器（分流電容或一系列電感或兩者的結合）必須用在電路中以阻止 EMI 耦合到設備。如果輸入為高阻抗，一個分流電容濾波器較有效，因為它的低阻抗將有效地旁路高的輸入阻抗，分流電容越接近輸入端越好。如果輸入阻抗低，使用一系列鐵氧體可以提供較好的濾波器，這些鐵氧體也應盡可能接近輸入端。
在內部電路上加強防護措施。對于可能遭受直接傳導的靜電放電干擾的端口，可以在 I/O 接口處串接電阻或并聯二極管至正負電源端。 MOS 管的輸入端串接 100kΩ電阻，輸出端串接 1kΩ電阻，以限制放電電流量。 TTL 管輸人端串接 22～100Ω電阻，輸出端串接 22～47Ω電阻。模擬管輸入端串接 100Ω～100kΩ，并且加并聯二極管，分流放電電流至電源正或負極，模擬管輸出端串接 100Ω的電阻。
在 I/O 信號線上安裝一個對地的電容能夠將接口電纜上感應的靜電放電電流分流到機箱，避免流到電路上。但這個電容也會將機殼上的電流分流到信號線上。為了避免這種情況的發生，可以在旁路電容與線路板之間安裝一只鐵氧體磁珠，增加流向線路板的路徑的阻抗。需要注意的是，電容的耐壓一定要滿足要求。靜電放電的電壓可以高達數千伏。
用一個瞬態防護二極管也能夠對靜電放電起到有效的保護，但需要注意，用二極管雖然將瞬態干擾的電壓限制住了，但高頻干擾成分并沒有減少，該電路中一般應有與瞬態防護二極管并聯的高頻旁路電容抑制高頻干擾。
在電路設計及電路板布線方面，應采用門電路和選通脈沖。這種輸入方式只有在靜電放電和選通同時發生時才能造成損壞。而脈沖邊沿觸發輸入方式對靜電放電引起的瞬變很敏感，不宜采用。

PCB 設計：

良好的 PCB 設計可以有效地減少 ESD 干擾對產品造成的影響，這也是電磁兼容設計中 ESD 設計部分的一個重要的內容，大家可以從那部分課程中得到詳細的指引。對一個成品進行電磁兼容對策時，很難再對 PCB 進行重新設計（改進成本太高），此處不再加以介紹。

軟件：
除了硬件措施外，軟件抑制方案也是減少系統鎖定等嚴重失常的有力方法。
軟件 ESD 抑制措施分為兩種常用的類別：刷新、檢查并且恢復。刷新涉及到周期性地復位到休止狀態，并且刷新顯示器和指示器狀態。只需進行一次刷新然后假設狀態是正確的，其它的事就不用做了。
檢查/恢復過程用于決定程序是否正確執行，它們在一定間隔時間被激活，以確認程序是否在完成某個功能。如果這些功能沒有實現，一個恢復程序被激活。

一般 ESD 對策準則：
（1）在易感 CMOS、 MOS 器件中加入保護二極管；
（2）在易感傳輸線上（地線在內）串幾十歐姆的電阻或鐵氧體磁珠；
（3）使用靜電保護表面涂敷技術，使 ESD 難以機芯放電，經證明十分有效；
（4）盡量使用屏蔽電纜；
（5）在易感接口處安裝濾波器；并將無法安裝濾波器的敏感接口加以隔離；
（6）選擇低脈沖頻率的邏輯電路；
（7）外殼屏蔽加良好的接地。

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| 發布時間：2018.05.28 來源：充電器廠家

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