1、静电放电问题案例分析 主讲人:刘勇 江苏省电气装备电 磁兼容 工程 实验 室 南京师范大学一、静电放电简 介 1. 静电放电概述 自然界中的物质, 可经由 某种 过程 而获 得或失 去电 子(例如摩 擦或 感 应起电),这类的电 荷即 称为 静电。 当这 些正 电荷 或是负 电荷 逐渐 累 积时,会与周围环 境产生 电位 差, 电荷 若是经 由放 电路 径而 产生在 不 同电位之间移转现 象,即 称此 为静 电放 电现象 ,简 称为ESD (Electro Static Discharge)。例如某绝缘的 导体 (螺 丝起 子)带 有足 够高 电 荷,当它靠近有相反 电势 的集 成电路 (IC
2、 ,Integrated Circuit)时 ,电荷“跨接”, 引起静 电放 电。 静电放电的产生有 两个基 本条 件, 一是 电荷的 积累 ,电 荷的 积累是 前 提,然后是“跨接 ”,电 荷的 剧烈 流动 就是放 电。 所以 从这 两个方 面 就行控制就能有效 地防护 静电 放电 的产 生。 静电放电及其影响 是电子 设备 的一 个主 要干扰 源。一、静电放电简 介 2.静电放电产生的三 个条件 : 电 荷 的 积累,静 电荷积累 在绝缘体 上; 静 电 荷 通过接触 或感应转 移到导体 上; 充 满 静 电的导体 接近一个 金属器件 ,产生 放 电。一、静电放电简 介 3 静 电 危 害
3、对象 精密芯片: 芯片越来越集成 、微小,抗击电压也 越来越小, 极易受到静电电流影响。 MOS器件:MOS 器件每 条路径都有自己的放 电特性,电位 差超过路径间的绝缘物的介电强度,会发生介质击穿,从而 损坏电路。 PCB板:ESD 电流会 直接通过电路板烧毁PCB 上对ESD 敏感 的电路元件。 地线:ESD 电流经过地线, 若接地材质不良会产 生高阻抗, 形成高干扰电压,会是接地线路对正常工作电路造成干扰。 对ESD 敏感的器件还有有微电子器件,分立半导体器件,电 阻器基片,压电晶体以及薄膜电路等。一、静电放电简 介 4. 静 电 放电分析 ESD 是 一 种高能 量、宽 频谱的 电磁干
4、 扰,干 扰途径 主要 有两种 : 传 导性ESD : 主要 是瞬间 接触的 大电流 造成产 品内部 电路 的 误 动作或 损坏。 辐 射性ESD : 空 间电磁 场耦合 ,其上 升时间 短,约 为 0.71ns ,频 谱高达 数百MHz ,静电放电 电流会 激烈一 定频 谱 宽 度的脉 冲能量 在空间 ,产生 的电磁 场通过 寄身电 感或 电 容 耦合进 敏感电 路。一、静电放电简 介 5. 防 护 静电的一般方法 减 少 静电的 积累; 使 产 品绝缘 ,防止 静电发 生; 对 敏 感线路 提供支 路分流 静电电 流; 对 放 电区域 的电路 进行屏 蔽; 减少环路面 积以保 护电路 免受
5、静 电放电 产生磁 场的影响; 前 三 条是针 对直接 放电, 后两条 是针对 关联场 的耦合 。二 、 静 电 放电的 测试方法 1.测试方法 直 接 接触放电( 尖 电极头) : 直 接接触 放电端 安装在ESD 模 拟 器 上,并 对可触 及的放 电点直 接接触 放电试 验,试 验电 压采用表B.1 规定 的接触 放电电 压等级 。 空气放电( 半圆电极头) :空气放 电 端安装在ESD 模拟器上, 距 离 被试设 备至少15mm 。放电 端垂直( 15 ) 对准 放电位 置 , 以速度 不大于5 mm/s 缓 慢 靠近,直 至放电 。按照 表 B.1 中 空气 放电电 压等级 测试各
6、点。如 无放电 产生, 则继 续移动放 电端直 至放电 端与放 电点 接触。如 仍无放 电产生 , 则 此 位置及 此电压 等级下 的试验 停止。 垂 直 耦合板、水平耦合板放电三 、 传 导 型静电 放电问题 整改案例 某 电 子产品接触式静电放电问题整改 ESD 发生器采用苏州泰斯特电子科 技有 限公 司生 产的型 号为ESD- 20静电放电测试仪 器,其 性能 满足IEC61000-4-2标准 要求 ,电子 产品 抗击电压为4.7KV ,超过4.7KV 就会出 现蜂 鸣器 报警 ,死机 现象 。实 验布置图如下:问题分析 判定RS232 串口9 号脚为敏 感点。9 号脚点都 有长导 线引
7、出 , 在 工作状 态下施 加微弱 电压, 就会报 警。选 择有效 地方 式利用TVS 管对其进行 保护: 所用TVS 管 型号 为:P6KE6.8CA问题分析 问题 措施 结果 1 、考虑电荷的泄流,改 善电子产品的整体接地 改两线供电为三线供电, 增加接地线路。 电子产品抗压提高到 5.8kv 2 、考虑提高PCB板接地, 改善电子线路的接地 将PCB板接地与外壳和地 线相连,使电荷能首先通 过地线导出 电子产品抗压提高到 7.9kv 3 、对打击部分的敏感电 路RS232串口电路改良 对敏感点线路利用TVS管 接地防护,提高其抗静电 能力 电子产品抗压提高到了 9.3kv四 、 辐 射
8、型静电 放电问题 整改案例 某 型 号商用电力集中器 静电放电问题整改 根据静电放电抗扰度试验国家标准GB17626.2-2006规定,静电放电的测 试方法主要分为三种:空气放电方法接触放电方法间接放电即耦合板 放电方法。针对某型号商用电力集中器,它可以完全通过前两种试验,试验 条件为:空气放电15KV ,接触放电8KV;但是当采用如图2-1 所示的耦合板 放电试验方法测试时,放电电压为8KV,试验过程中电力集中器会自动重启 ,该现象说明其不能通过该项测试。显然,此产品的静电放电问题属于辐射 性ESD ,其静电放电威胁主要通过空间电磁场的耦合导致系统运行异常。案例分析 (1 )非金属绝缘体 外
9、壳 电力电子设备根据 外壳的 导电 性分 为金 属外壳 和非 金属 绝缘 体外 壳。具有金属外壳 的设备 有一 个非 常显 著的优 点, 它的 金属 外壳可 以 作为ESD 电流的一个泄流路 径, 但同 时它 也促进 了静 电放 电; 对于非 金属绝缘体外壳设 备,它 的优 点是 阻止 了静电 放电 的发 生, 但是除 非 做到绝对的绝缘, 否则通 过接 缝和 隙缝 静电放 电就 可能 发生 。 DJGZ22-GY200 型 电力 集中器 实物 如上图所示, 它的 外壳 为塑料 材料 , 属于非金属绝缘体 。当采 用水 平耦 合板 或者垂 直耦 合板 进行 放电试 验 时,电力集中器的 塑料外
10、 壳会 聚集 大量 同极性 的放 电电 荷, 属于金 属 导体的电路板支架 连接着 外壳 和集 中器 内部的PCB 电路板 ,聚 集在外 壳上的大量静电电 荷通过 该支 架和 空间 电磁场 耦合 进入 电子 电路, 产 生静电 放电 ,从 而严重 影响 了电 路中 敏感 的电力 电子 器件 的正常 工作 。 这是具 有非 金属 绝缘体 外壳 的电 力电 子设 备的一 种常 见静 电放电 模型 。 (2 )无接地系统 对外无接地的电力 电子系 统被 称为 无接 地系统 ,没 有外 部接 地的 电力电子产品,ESD 电流的 泄流 路径 一般 是通过 产品 具有 最大 电容部 分的输入口到地, 静电
11、放 电电 流无 法直 接通过 地线 流出 设备 ,而消 除 静电放电电流的影 响。DJGZ22-GY200型 电力 集中器 是三相四 线式 工 作方式,其工作供 电内部 不存在 常规 供电 的地 线, 属于 典型 的无接 地 系统。由于它内部 没有接 地, 所以 静电 放电时 便不 存在 直接 而快速 的 泄流途径,外壳上 聚集的 大量 电荷 会产 生一定 的冲 击电 流直 接进入 电 子电路,经线路损 耗和元 器件 损耗 而最 终被消 耗掉 。但 是集 成电路 所 采用的大部分元器 件都是 低压 小电 流工 作模式 ,其 耐压 等级 较低, 因 而对于大的冲击电 流特别 敏感 ,过 大的 电
12、流会 导致 设备 电路 内部的 一 些敏感器件无法正 常工作 ,甚 至遭 到损 坏。静 电放 电对 无接 地系统 的 危害较大,主要因 为无接 地系 统没 有静 电地, 然而 静电 地是 静电放 电 电流疏导的主要手 段,放 电电 流得 不到 有效疏 导将 会严 重影 响电力 电 子器件,因而缺乏 静电地 的无 接地 系统 是静电 放电 的重 点防 护对象 。 (3 )敏感电力电子 器件 静电放电主要对电 路中的 敏感 器件 产生 危害, 从而 威胁 整个 电力 电子系统的正常工 作。敏 感器 件一 般指 半导体 器件 、敏 感芯 片等, 而 静电放电对敏感器 件的危 害主 要表 现为 三个方
13、 面: 薄的氧 化层被 击 穿高密度 泄漏 电流造 成器 件烧 熔 高击 穿电压 造成 器件 功能性 破坏 。 DJGZ22-GY200 型电 力集 中器的 敏感 器件 主要 集中在 该系 统的 控制 板 上,当对其进行静 电放电 实验 时, 静电 放电产 生的 耦合 空间 电磁场 是 敏感器件的主要危 害源。 本次 试验 虽未 对控制 板上 的敏 感器 件造成 毁 灭性的破坏,但是 在一定 程度 上使 得敏 感器件 工作 异常 ,表 现为耦 合 放电测试时液晶屏 显示消 失并 自恢 复到 启动状 态, 而液 晶屏 显示受 控 制电路控制,因此 该现象 为电 力集 中器 的控制 电路 受静 电
14、放 电影响 所 致。整改 方案 1.核 心 板 电磁屏蔽。 对电力集中器的核 心板( 即控 制电 路) 采取电 磁屏 蔽措 施, 具体 实现方法是在控制 电路四 周加 上静 电防 护膜。 当控 制电 路被 放置于 静 电防护膜所包围的 空间内 ,对 于静 电防 护膜而 言为 一个 等电 位体, 因 而该等电位体的内 部空间 的电 磁场 大小 为零, 故也 就不 会存 在电压 差 。由于该型电力集 中器的ESD 问题属 于辐 射性ESD ,因 而通 过采用 电 磁屏蔽实现的空间 等电位 体很 好地 保护 了控制 电路 ,使 控制 电路中 的 敏感器件避免受到 空间辐 射性 静电 放电 的危害 ,
15、保 障了 该系 统的正 常 运行 。 2.制造ESD地。 在设备内部侧边中 心位置 固定 一个 尺寸 为6cm*6cm 的静 电膜 ,底 部中心位置固定一 个15cm*15cm 的静 电膜 ,并 且将侧 边和 底部 的静 电 膜用粗导线连接, 通过该 方法 人为 地为 该电力 集中 器创 造了 一个ESD 地;当进行静电放 电耦合 板方 法试 验时 ,静电 外壳 会产 生大 量的同 极 性电荷,由于ESD 地的存在 ,外 壳上 聚集 的大量 电荷 向属 于导 体的静 电膜(即ESD 地)转移,最 终所 有的 电荷 会聚集 在创 造的ESD 地上。整改结果 采取的措施 测试结果 理论分析 接触式
16、 (8KV ) 空气式 (15KV ) 耦合板式(8KV ) 无 通过 通过 未通过 存在辐射性ESD 问题,空间 电磁 场强较大,缺乏快速有效的 静 电泄流路径和敏感器件的防 护 增加ESD 地 通过 通过 未通过(能承受的最 大 测试电压有一定增加) 增加的ESD 地提供了快速有 效的 泄流路径,但是敏感器件仍 受 空间强电磁场强的影响 电磁屏蔽 通过 通过 未通过(能承受的最 大 测试电压有一定增加) 敏感器件得到保护,但是系 统 缺乏快速有效的泄流路径 增加ESD 地、 电磁屏蔽 通过 通过 通过 系统有快速有效的泄流路径 , 且敏感器件得到保护四 、皮带 秤静电 整改 案例 问题提出
17、: 某皮带秤在进行电磁兼 容抗干 扰测 试静 电放 电项目 中失 败, 其测 试要求为接触放电6kv,空气放电8kv。现象是进行 接触 放电 打击时 存 在放电,显示屏有 异样, 持续 打击 时会 死机, 有时 可恢 复。 空气放 电 时显示屏也会有少 许放电 ,然 后死 机。 机体如 下图 所示 :案例分析 在防护静电时,被测物体 的外部 结构常 常起到 至关重 要 的作用。封闭的外壳能有 效地对 抗静电 ,使内 部电路 较 少的受到影响。 皮带秤外壳为封闭结构, 完全通 过测试 。内壳 部分结 构 松散,内壳抗压能力为: 接触3kV ,空气4kV 。 由于内壳的结构不良,引 起各种 放电,
18、 剧烈的 放电电 流 会影响参考地电位,使得 数字电 路逻辑 失控, 强烈的 电 磁场会耦合到敏感的信号 线,引 起信号 错位。考 虑 改善内壳的 链接。 利用扁 铜带改 良其链 接 显 示 屏周围 为敏感 地带, 由液晶 显示和 控制电 路两部 分 组 成,电 路复杂 逐一整 改不可 取。 在 间 隙中填 充绝缘 材料, 提高放 电介质 强度, 两板平 行 可 视为电 容器, 电容定 义为C= S/d ,其中 为极板间 介 质 的介电 常数,S 为极板 面积,d 为极板间 的距离, 电 容电压为 电 荷 相同的 情况下 ,电容 增大, 两板之 间的放 电电压 将 变 小,从 而其抗 电压能 力提高 。测试 发现接 触放电 能 力 有所提 高,位 于显示 部分上 方的薄 膜电路 通过了 空气放电8kV 测试。 Q U= C整改结果 将内壳与外壳绝缘 ,内壳 不接 地。 使电 荷积累 在内 壳表 面, 随着 电荷的积累,内壳 逐渐形 成一 个等 位体 ,放电 现象 消失 。 经过以上整改皮带 秤通过 了接 触放 电6kV 和空 气放 电8kV 的测 试。