1、1,控制系统的静电防护,徐义亨,2,1 历史的回顾,1)人类对电磁现象的认识是从研究静电现象开始的。早在几千 年前古希腊人就发现了琥珀经摩擦后会吸附轻小物体。2）1785年库仑发现了静电学的基本定律库仑定律，对静 电的研究才真正走上科学的道路，成为经典的静电学。3）1820年安培和奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第 发现了电磁感应定律，1865年麦可斯韦方程的建立，人们把研究的 重点放在电磁规律方面；而静电这个古老的课题被长期搁置下来。,3,4）1907年卡特尔研制成功世界上第一个可实际应用的静电除尘 器（捕集硫酸酸雾）后，静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复 印等一系列静电应用技术有
2、了很大的发展，创建了静电工程学。5）由于在静电的放电过程中有集中的瞬间大电流通过，导致易 燃易爆物质的燃烧和爆炸，所以20世纪以后在发展静电工程学的同 时，也开始发展和建立静电防护工程学。6）自1984年M.Honda首先指出间接静电放电（ESD）会形成强电 磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场，对微电子设备造成严重的电 磁干扰和浪涌效应，是一种新的电磁干扰源，静电的防护研究的重 点开始从引起燃烧、爆炸灾害事故的防护转向研究静电放电辐射场 引发的电磁干扰及相关危害。,4,7）从上个世纪的九十年代开始，国内外许多标准均将静电放电 作为重要的电磁环境因素之一，和雷电等按电磁兼容性（EMC）研究 内容统
3、一考虑。其原因是因为大规模集成电路的绝缘层越来越薄,其 互连导线的宽度和间距也越来越小,抗过电压能力越来越差。8）1989年5月3日欧共体颁布了关于协调成员国有关电磁兼容 法律的理事会指令，将电磁兼容性（EMC）作为防护目标。这一指 令于1992年11月9日被转成德国法律设备电磁兼容法。1995年8 月30日修订了该法律，违反了电磁兼容法将被视为犯罪。1991年， 在美国政府工作报告（AD-A243367）中已把静电放电和十多种电磁 危害源综合考虑为电磁环境效应（Electromagnetic Environment Effect),简称E3问题。,5,2 静电放电（ESD）的特点,人体上带不
4、同的静电电压时，静电放电的电流波形：,6,由图可知，静电放电的特点：1）虽然时间是ns级的，但峰值电流可达数十安培，所 以说瞬间的功率十分巨大。2）由于电流波形的上升时间很短，即di/dt很大，所 以可以感应出几百伏乃至上千伏的高电位，从而产生出强 电场。由于电流脉冲上升时间极快，持续时间极短，所以产 生的静电放电电磁脉冲其能量足以使电子部件中敏感元件 损坏。静电电磁干扰属于宽带干扰，从低频一直到几个GHz （109）以上。它是属于近场的电磁干扰源（/2）。,7,静电危害源对受害物体的影响，其作用机理除库仑力作 用的力学效应外，主要是通过能量的直接传导、电容性耦合 、电感性耦合和电磁场辐射等四
5、种方式发生作用：1）直接传导，指的是静电放电电流直接流过敏感电路 的情况，这种方式往往是由于静电放电电流产生的热效应对 电路产生损坏。由于静电放电是在ns或s量级的时间内完成的，是一 种绝热过程。作为点火源、引爆源，可瞬时引起易燃易爆气 体或物质的燃烧爆炸；也可以使微电子器件、电磁敏感电路 过热，造成局部热损伤，使电路性能变坏或失效。,8,2）电容性耦合。指的是静电放电电流对敏感电路附近的金属 物体或电路放电时通过放电产生的电场耦合到敏感电路中去。静电危害源形成的电场不仅可以使MOS场效应器件的栅氧 化层击穿或金属化线间介质击穿，造成电路失效，而且对许 多测试仪器和敏感器件的电磁屏蔽提出了更高
6、的要求。CMOS电路极易因静电而损坏。其氧化膜的耐压界限约为 80-100V （VMOS电路仅为30V）。所以对于带成千上万伏静电 的人一旦接触电路会对器件带来很严重的后果。,9,3）电感性耦合。指的是静电放电在设备的金属外壳等导电材料中引起的强电流可形成磁耦合，其放电能量虽然不大，但瞬间的功率十分巨大，会对电路和器件产生干扰和危害。因此对控制系统的设计和磁屏蔽材料的选择都提出了苛刻的要求。,10,4）电磁场耦合。静电放电引起的射频干扰，对信息化设备造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其浪涌效应对电子设备既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效，也可以形成累积效应，
7、埋下潜在的危害，使电路或设备的可靠性降低。,11,电子器件因ESD的失效模式,突发性失效：包括短路、开路、伤失功能，参数不符合要求，约占 10%；潜在性失效：即“部分退化”，参数仍符合要求，但抗扰度降低了， 造成过早失效，危害性更大。约占90%。器件的硬件故障，因ESD约占15%。,12,也有的资料把由于静电放电产生的效应，分成三类：1）硬损伤。即已造成硬件的实际损坏。2）软损伤。对系统的正常运行有影响，但不会使系统产生物 理上的损坏。譬如使存储位的改变和程序进入死循环等。3）短暂状态异常。没有产生任何错误，但能明显地感觉得到。 例如CRT显示器上的雪花点、图象滚动和指示灯的瞬间闪烁 等。设计
8、出来的控制系统应当有一定的静电抗扰度而不遭损坏（硬 损伤），通常也不会产生软损伤。一般情况下，短暂状态异常是 可以接受的。,13,静电的危害实例,1）世界上有数十颗卫星因静电放电（ESD）发生故障；2）第一个阿波罗载人宇宙飞船因ESD导致火灾、爆炸，使三 名宇航员丧生；3）1969年在不到一个月的时间内，荷兰、挪威、英国有三 艘20万吨油轮因ESD相继发生爆炸；4）石油化工企业因ESD发生爆炸事故，举不胜举。,14,3 静电起电,固体间发生接触分离过程或摩擦时会发生静电起电现象。最经常发生的静电起电现象是固体间的摩擦起电现象。此外还 有； 剥离起电； 破裂起电； 电解起电； 压电起电； 热电起
9、电； 感应起电； 吸附起电； 喷电起电。,15,1）感应起电 如果一个带电体靠近一个中性导体，那么静电场会使 中性导体上处于平衡状态的电荷分离。在距离带电体最近的 导体表面上出现与带电体上电荷极性相反的电荷，而在距离 带电体最远的导体表面上出现与带电体上电荷极性相同的电 荷。如雷雨云底部分布着大量的电荷，它们产生静电场，在 雷雨云所覆盖的地面和各类导体上便会感应出与雷雨云底部 电荷相反符号的电荷。,16,2）摩擦起电 两种物体互相摩擦时。由于电子和离子的亲和性不同， 会在两个物体间引起电子和离子的移动，形成一方带正电 荷，一方带负电荷，当两物体分开时，会使一部分的正电荷 与负电荷再度结合，但最
10、后残留一部分电荷。残留电荷量 大，则静电量也愈大，这种残留的电荷由该物体的绝缘性决 定。,17,物体带电顺序表,18,当两种材料发生接触时，电子将从顺序表中位于左 侧的材料转移到顺序表中位于右侧的材料上。可以按此 来判断两个物体摩擦时，它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷程度的大小，即顺序表中相隔愈开的两种材料摩擦，产生电荷的程度就愈大。产生电荷的数量不仅与顺序表中材料的位置有关，而且还和材料的表面清洁度、接触的压力、摩擦数量、接触面积的大小、表面光滑度以及分离速度等因素有关。同类材料在经过接触、分离后也能产生电荷。一个最明显的例子就是塑料袋，在打开时能显而易见地感觉到静电的存在。,19,质
11、地不同的工作服和内衣摩擦时人体带电电压（kV）,20,工作服和内衣摩擦时发生的静电是人体带电的主要原因，质地不同的工作服和内衣摩擦时人体带电电压如表所示。人体各部位所带的静电是不均匀的，一般认为以手腕侧的电位最高。,21,因塑料地面或盛器产生的静电电压测量值,22,几点基本概念,1）静电是一种发生在材料表面上的现象。电荷存在于材料 的表面上，而不是材料的内部。2）绝缘体上的电荷只能保持在产生它的区域，并不会分布在 材料的整个表面上。正因为如此，绝缘体的接地并不能减少电荷。3）因为绝缘体上的电荷不能自由移动，所以电荷不会引起 静电放电。但绝缘体上的电势会在导体上感应产生电荷。4）静电损坏都是通过
12、导体（包括人体潮湿的皮肤）引起的。5）任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电 的人体皮肤层上。人体是最主要的静电放电源头。,23,4 人体的静电模型（HBM）,一个物体上所积累的电荷储存在该物体的电容中。通常，我们总认为只有在两个平板之间才会有电容， 实际上所有的物体都有自己的自由空间电容，无非第二 个平板（指地球）无限大而已。这个电容也就是物体可 有的最小电容。即使是不规则形状的物体，它的自由空间电容主要取 决于其表面积的函数。,24,人体的电容和电阻,25,一个人体在自由空间中的电容约为50Pf。除此以 外，人体电容还包括脚底与地面之间的电容（约 100Pf）。如果人体接近墙壁等
13、周围的某些物体，还会增加 50Pf100Pf的电容。所以人体电容等于人体自由空间 电容与平板电容之和，大小在50Pf250Pf之间变化。人体电容也可用下列经验公式表示：C=0.55H+0.008KA/t式中：H人体高度（cm）；K鞋底材料的介质常数；A两只鞋底的总面积（cm2）；t鞋底厚度（cm）。,26,人体电阻是非线性的，其值约在5001,000之 间，它和人体产生放电的位置有关。若手指尖放电，人体电阻约为10,000；若手掌放电，人体电阻约为1,000；若在手持的金属物体上放电，人体电阻约为500；若放电发生在较大的金属物体上，人体电阻可以减 小为50。此外，影响人体电阻的因素还有皮肤表
14、面的水分、 盐和油、皮肤接触面积和压力等。,27,人体静电放电模型,V,28,上图是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中，并通过一个等效的人体电阻产生放电。该静电模型没有考虑电感的大小，但是电感对确定放电电流的上升沿时间有决定性的影响，应当将它计算进来。与放电头串联的电感决定着波形的上升时间，设法减小该电感的大小是设计ESD测试仪器的主要难题之一，该电感的大小应小于0.1H。,29,该图的电路可以模拟人体的静电放电，也可以用于静电 测试。静电放电的上升沿时间和其能量是决定放电程度的主要 参数。下表以mJ为单位列出了不同人体静电放电模型放电产生 的能量。其计算公式为：W=0.5CU2（mJ)
15、式中：C人体对地电容，F；V人体静电电压，V。,30,目前，最常用的静电模型来自IEC 61000-4-2： 1995，电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验 （即GB/T 17626.2-1998）。其电容为150 pF，放电电阻为330。输出电压按接触放电和空气放电两种情况分为四个等级 （见下表）。,31,静电放电的试验等级,32,典型人体静电模型（HBM）的参数取值,33,上升沿时间的特征值RC愈小或放电的能量愈大，表明静电放电的严酷程度愈高。由上表的数据可知，特征值RC最小的是公司E，放电能量最大的是公司A。IEC标准规定的这两个参数值都不是最严酷的，特别是放电能量远小于其它诸公
16、司。,34,为此，笔者认为，有许多仪表的制造商往往认为自己产品的静电抗扰度已达到了IEC标准规定的2级或3级指标就与以认可，而实际上这是远不够的。为提高仪表和控制系统的静电放电抗扰度，不但要看试验电压的大小，还应着眼于试验模型，要注意上升沿时间的特征值RC的大小。,35,接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用在不能使用接 触放电的场合中。这里顺便提醒一点。由于空气放电方式涉及到外部火花通道的 形成过程，温度、湿度以及静电枪接近被测物体的速度变化都会引 起放电过程的显著变化。实验证明，随着静电枪接近被测物体的速 度变化，放电电流的上升沿时间可由小于1ns变化到大于20ns。由于 空气放电的重
17、复性极差，测试的数据可靠性差，所以应优先采用接 触放电的方式。,36,通常，人体不会感受到3,500V以下的电压所产生的放电。由于大多数电子器件对数百伏电压产生的放电都会非常 敏感，所以元器件的损坏可能来自人们所不能感受到的、听 得见的或看得到的放电。在相反的极端情况下，若静电放电电压达到25kV,人体将 会感觉到疼痛。,37,5 人机界面材质的选择,通常，积累在物体上的电荷有两种释放方式：泄漏； 火花。由于火花放电会引起燃烧爆炸之类灾害事故的发生，所以泄漏 是物体放电的首选方式。由于湿度的关系，物体携带的电荷可以通过空气泄漏。湿度愈 高，物体上携带的电荷泄漏得愈快，(如RH65%，难以形成静
18、电危害 源）。使用离子发生器向空气中释放与物体携带电荷极性相反的电 荷，可以与物体携带的电荷相互抵消。空气中的离子将被吸附到物体 上，与 物体上的电荷中和，空气中产生的离子愈多，电荷的中和 速度就愈快。,38,如果将带电导体接地，就能够使带电导体上的电荷泄漏。 因为人体有导电性，所以若能使人体接地（如套上防静电腕 带），也能使人体携带的电荷慢慢消失。为了把泄漏电流限制在人身安全的电流5mA以下，应有足 够高的接地阻抗，通常防静电腕带的接地电阻为1M，最小 接地阻抗为250k。但是，因为衣物和塑料物体往往是不导电的，所以人体 接地并不能使衣物上的电荷或者人手持的塑料物体上的电荷 消失。为此，可以
19、用电离或增加环境湿度的方法将这些不导 电物体上的电荷移走。,39,如果物体已经携带电荷，那么物体的放电应该缓慢进 行，以限制电流，防止损坏。表示这一特性有一个重要参数衰减时间，它可表 示为：=式中：材料的介电常数；材料的表面电阻率（/m2）。其中的变化范围要远远大于的变化范围（值一般 为211，相差仅5倍，而的大小要相差1010倍）所以对衰 减时间起主要作用的是材料的表面电阻率。因为静电是 一种发生在材料表面上的现象，所以根据材料的表面电阻 率，可将材料分成四大类（见下表）。,40,不同类型材料的表面电阻率,41,表面电阻率小于104/m2的静电导体材料耗散电荷的速度最快，使用接地方式很容易将
20、其表面所携带的电荷释放掉。但因迅速放电使放电电流峰值很大，一旦放电通道靠近已带电的电子系统，可能会产生某种损坏。所以它不宜作为人机界面的面板材料。表面电阻率大于1011/m2 静电绝缘体不能耗散电荷，在静电 敏感环境中严禁使用。,42,与静电导体相比，静电耗散材料的耗散电荷的速度很慢，很安 全。接地的静电耗散材料也可用于防止静电积累，一旦物体带电， 也可以安全地泄放这些电荷。一般认为，仪表和控制系统人机界面面板材质的表面电阻率不 宜超过1011/m2。,43,目前，最常用的面板材质有聚碳酸酯（PC）和尼龙（PA）等， 它们各自的表面电阻率如下表所示。,44,就上表所列的数据可知，从静电防护要求
21、上来看，尼龙66似乎 要优于其它。但是面板材质的选择，还必须考虑机械加工性能和化 学稳定性。再则，即便是同样一种材料，不同制造商提供的其表面 电阻率的大小也有所不一。所以，当考虑了机械加工性能和化学稳 定性，如表面电阻率不满足要求时，可以采取如下措施：1）在原材料中加防静电添加剂；2）因为静电是仅发生在材料表面上的现象，所以可在面板表面 涂层（包括在金属面板上覆盖一层涂层），使表面电阻率符合要求。,45,6 电路设计中的静电保护,防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏的基本 方法有：1）抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累（见第7部分）；2）将敏感电路旁路，为静电放电电流提供可选择的泄放
22、路径；3）对敏感电路实施屏蔽，使其不受静电放电引起的电场的影响；4）保护敏感电路，以阻止由放电产生的磁场的进入。,46,6.1 金属火花吸收器的抗静电应用,在设计键盘和控制面板时应当遵循这样一条原则：静电放电电流 能够直接到地，而不会流过敏感的电路或器件。若是使用绝缘键盘，那么可以在在键盘与电路之间使用金属火花 吸收器，为ESD电流提供可选择的泄放路径。如下图所示，金属火花吸收器安装在绝缘面板的后面，而且金属 火花吸收器应当接地到机壳或机架的保护地上，绝不能接到工作地上。,47,金属火花吸收器的抗静点作用,48,6.2 印刷线路板上的保护环,操作人员将印刷线路板插拔到母板上去的动作是产生ESD
23、 损伤问题的一个常见原因。为此，可沿电路板的边缘设计一 个保护环，并将该保护环接地。当操作人员手拿电路板时， 可以将人体上的电荷通过保护环释放到接地装置上去。电路板接入系统后，保护环仍然起到保护它的作用。若 有带电的人或物体靠近电路板，任何产生的放电都有可能是 向接地的保护环，而不是向着电路板上的电路。,49,印刷线路板上的保护环,50,6.3 工作地与保护地必须分开,无论是金属火花吸收器，或是印刷线路板上的保护环，乃至用 金属屏蔽体将电路屏蔽接地，为避免静电放电电流不流过或靠近敏 感的电路或器件，在同一个设备上必须分别设置工作地和保护地， 而且应尽量拉开它们之间的耦合距离。静电放电电流（包括
24、雷电波和开关启/停的浪涌电流）只能通过 保护地进行泄放。遗憾的是，目前许多仪表只设置一个地，将工作地和保护地在 设备内就合一，这对提高其静电放电抗扰度是很不利的。,51,6.4 采用金属屏蔽体,用一个接地金属盒完全罩在一个电路上，并使两者之间 相互分离，该电路与金属盒没有任何接触。当发生放电时， 由于存在接地引线电感，金属盒的电位就会上升。金属盒内 电路的电位差也会随之上升，即使这样，但在金属盒内的电 路上的各点之间不会产生电位差。因此，只要金属盒能够将 电路完全屏蔽，电路就不会损坏。如果金属屏蔽盒不连续或有孔洞，在金属屏蔽盒的表面 就会产生电位差。这种屏蔽盒内的各部分与电路之间的分布 电容形
25、成的电压，会在电路中产生新的电压。这样也许会影 响电路的正常工作，所以要尽可能地完全将电路屏蔽。,52,电路,火花放电,53,6.5 对电缆接插件静电放电的干扰及其对策,目前一般设备的外接电缆接插件经常使用金属外壳的插座， 由于这种插座经常被人体所接触，所以也经常会通过插座对其 附近的元器件造成静电放电干扰。相应的措施是，在固定插座时要注意让其金属外壳与地有良 好的导电性能。使用螺钉固定时要注意其对地通路的电气接触 可靠，以防止时间长久后接地电阻增大，又会发生静电放电。,54,6.6 电路设计和印刷线路板布线,1）尽量不选用脉冲边沿触发方式。2）避免将MOS器件直接连到容易发生静电放电的连接器
26、引出端。3）印刷电路上所有的回路面积应尽可能的小。,55,7 控制室防止产生静电的基本措施,为了防止控制室产生静电，控制室的设计应采取下列的措施：1）防止静电的产生是最彻底的方法，从产生静电的机理看，应该 从降低有关物体的绝缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产 生静电。为此：A.保持控制室内的相对湿度在40%-60%之间，北方地区或在干燥的冬季，因静电产生的故障的事例要远大于东南沿海地区或其它季节；B.铺设具有导电性能的防静电地板或地毯；C.操作人员宜穿防静电工作服；D.在控制室入口处，设置吸尘地毯，以减少静电的生成。,56,2）操作人员应在手腕上带防静电手带，这种手带应有良好的 接地性能
27、。3）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。一般， 凡作保护接地的机柜，均可认为已作了静电接地。,57,8 控制系统静电放电抗扰度的试验,控制系统的下列部件需进行静电放电抗扰度试验：1）系统整体机柜或者单个底座（机笼）；2）各类卡件；3）上位机（工控机）；4）电源或配电箱；5）端子板或接线排；6）通讯线（网线）；7）信号线等。,58,所考虑的试验点包括：1）与地绝缘的金属外壳；2）与操作人员容易接触的区域；3）指示器、发光二极管、缝隙、栅格等。,59,静电放电的试验布局,60,整个试验装置如图所示。试验时，放电枪的接地电缆 要与被试设备至少保持20cm的距离，以避免感应影响试验结 果。试验速度1次/s，每一个放电点至少放电10次。直接放电 试验应包括在使用中可能接触到的任何地方。依据IEC标准，控制系统的防静电抗扰度应达到： 空气放电为3级, 接触放电为2级.在试验期间，允许性能降低，但实际工作状态或存储的 数据不允许改变。,61,谢谢大家,
