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干货 | 静电放电难点分析

2019-05-15 11:26 来源:电源网综合 编辑:Angelina

本篇文章主要针对静电放电的一些难点进行一个汇总,进而进行详细的分析,跟着小编一起来看看吧!

静电放电ESD(Electro-Static Discharge)是EMC测试常见的项目之一,容易造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。现代半导体器件的规模越来越大,工作电压越来越低,导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大提高。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视,本文主要分析电缆对静电放电的影响,希望对大家解决静电问题有所帮助。

一、问题描述

某玩具产品要求静电测试标准:接触±6KV,空气±8KV,但产品自身抗静电能力特别差,对产品做±2KV的接触或空气放电测试时,产品都会死机。产品结构具体如下:

干货 | 静电放电难点分析

二、静电问题排除

该产品有三块PCB,其中USB小板和开机按键板是通过排线与主板连接,具体示意图如下:

干货 | 静电放电难点分析

问题排查:

拔除开机按键小板排线,产品抗静电能力能得到显著提升;

拔掉USB小板排线,产品能通过接触±6KV,空气±8KV静电放电测试。

三、静电导致产品死机原理分析

干货 | 静电放电难点分析

静电放电电流波形上升时间短,高次谐波丰富,所以静电放电虽具有很宽的频谱。对EUT的USB端口进行静电放电测试时,测试时产生的共模瞬态干扰电流会流过互连线缆的地线,由于互连电缆中地线的阻抗,必然会在互连电缆上产生共模压降,当互连电缆中地线两端的压降ΔV0Z超过了互连电缆两端电路噪声承受能力就会产生错误,其中电缆中的开机和复位信号都容易受影响而导致产品死机或重启。


四、处理措施

1)去除不需要的功能信号D+、D-,在复位信号线增加104PF电容,小板双面做敷铜处理同时在排线上增加磁环;

干货 | 静电放电难点分析

2)开机按键小板双面敷铜,并且采用双端接地的屏蔽排线。

干货 | 静电放电难点分析

五、思考与启示

1、主要的破坏机制是:

1)由于静电放电电流产生热量导致设备的热时效;

2)由于ESD感应出高的电压导致绝缘击穿。除容易造成电路损害外,ESD 也会对电子电路造成干扰。

两种破坏可能在一个设备中同时发生。例如,绝缘击穿可能激发大的电流,这又进一步导致热失效。因为使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大一至两个数量级,损坏更有可能在传导耦合时产生。这就是说,造成损坏,ESD电火花必须直接接触电路,而辐射耦合通常只导致失常。

2、静电放电对设备产生的噪声形式

1)辐射噪声是由放电之前静电场和放电电流激发的电磁场所产生的。主要问题是放电点“地”到系统“地”平面回路经常阻抗不匹配,而这种阻抗不匹配将会产生驻波,在系统电缆的周围产生电场和磁场分布,从而在信号线上感应出大的电压或电流,导致机器死机。

2)传导噪声包括静电引起直接电流注入和电磁场产品的感应电流,电流的变化而引起CPU工作异常死机。

干货 | 静电放电难点分析

3)静电放电(ESD)电流产生的场可以直接穿透设备或通过空洞、缝隙、通风孔、输入输出电缆等耦合到敏感的电路。当ESD放电电流在系统内部流动时,它们激发路径中所经过的天线,这些天线的发射效率主要依赖于尺寸。ESD脉冲所导致的辐射波长从几厘米到数百米,这些辐射能量产生的电磁噪声将损坏电子设备或骚扰它们的运行。电磁骚扰可通过传导或辐射方式进入电子设备ESD的近场,辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式,取决于ESD源和接受器的阻抗,在远场,则存在电磁场耦合。

4)如果ESD感应的电压和/或电流超过电路的信号电平,电路操作将失常,在高阻电路中,电流信号很小,信号用电压电平表示,此时但容耦合将占主导地位,ESD感应电压为主要问题,在低阻电路中,信号主要为电流形式,因而电感耦合站主导地位,ESD感应电流将导致大多数电路出现的问题。

六、总结

静电问题在合理的防护设计和layout后,大部分的静电难点问题都是静电放电产生的辐射噪声引起。

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