控制系統的靜電放電抗擾度試驗及其防護措施

　　摘要：本文綜合分析了當前靜電放電（ESD）抗擾度的研究現狀，對國際電工委員會標準IEC 61000-4-2：2001推薦的靜電放電抗擾度測試方法進行了探討，從靜電產生的原理上進行分析，選擇和設計防護措施，為提高控制系統抗靜電干擾能力的提供了理論依據
　　關鍵詞：（ESD）靜電放電 靜電干擾 防護措施
　　中圖分類號：TN6文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（b）-0180-02
　　從20世紀90年代開始，國內外許多標準均將靜電放電作為重要的電磁環境因素之一，和雷擊浪涌等按電磁兼容（EMC）研究內容統一考慮。其原因就是因為大規模集成電路的絕緣層越來越薄，其互連導線的寬度和間距也越來越小，抗過電壓能力越來越差。
　　1 靜電的產生及試驗原理
　　產生靜電的原因大致有接觸起電和靜電感應兩種。
　　我們知道，物質都是由分子構成，分子是由原子構成，原子中有帶負電荷的電子和帶正電荷的質子構成。在正常狀況下，一個原子的質子數與電子數量相同，正負平衡，所以對外表現出不帶電的現象。但是電子環繞于原子核周圍，一經外力即脫離軌道，離開原來的原子而侵入其他的原子B，A原子因缺少電子數而帶有正電現象，稱為陽離子，B原子因增加電子數而呈帶負電現象，稱為陰離子。造成不平衡電子分布的原因即是電子受外力而脫離軌道，這個外力包含各種能量（如動能、位能、熱能、化學能等）在日常生活中，任何兩個不同材質的物體接觸后再分離，即可產生靜電。當兩個不同的物體相互接觸時就會使得一個物體失去一些電荷如電子轉移到另一個物體使其帶正電，而另一個體得到一些剩余電子的物體而帶負電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上靜電。所以物體與其它物體接觸后分離就會帶上靜電。通常在從一個物體上剝離一張塑料薄膜時就是一種典型的“接觸分離”起電，在日常生活中脫衣服產生的靜電也是“接觸分離”起電。固體、液體甚至氣體都會因接觸分離而帶上靜電。這是因為氣體也是由分子、原子組成，當空氣流動時分子、原子也會發生“接觸分離”而起電。我們都知道摩擦起電而很少聽說接觸起電。實質上摩擦起電是一種接觸又分離的造成正負電荷不平衡的過程。摩擦是一個不斷接觸與分離的過程。因此摩擦起電實質上是接觸分離起電。在日常生活，各類物體都可能由于移動或摩擦而產生靜電。另一種常見的起電是感應起電。當帶電物體接近不帶電物體時會在不帶電的導體的兩端分別感應出負電和正電。
　　任何帶電物體都很容易將自己所攜帶的電荷轉移到導電的人體皮膚層上，所以人體是最主要的靜電放電源頭。因此，我們在研究控制系統的靜電防護時，首先要涉及到人體的靜電模型。通常，我們總認為只有在兩個平板之間才會有電容，實際上所有的物體都有自己的自由空間電容，無非第二個平板（指地球）無限大而已。人體的電容和電阻如圖1所示。一個人體在自由空間中的電容約為50pF。除此以外，人體電容還包括腳底與地面之間的電容（約100pF）。如果人體接近墻壁等周圍的某些物體，還會增加50～100pF的電容。所以人體電容等于人體自由空間電容與平板電容之和，大小在50～250pF之間變化。人體電容也可用下列公式表示。
　　C=0.55H+0.008KA/t（pF）
　　式中：H為人體高度（cm）；K為鞋底材料的介電常數；A為兩只鞋底的總面積（cm2）；t為鞋底厚度（cm）。
　　人體電阻是非線性的，其值約在500～1000Ω之間，它和人體產生放電的位置有關。若手指尖放電，人體電阻約為10kΩ；若手掌有放電，人體電阻約為1000Ω；若在手持的金屬物體上放電，人體電阻約為500Ω；若放電發生在較大的金屬物體上，人體電阻可以減小為50Ω。
　　圖2是人體的靜電放電模型。電荷儲存在人體電容中，并通過一個等效的人體電阻產生放電。（該靜電模型沒有考慮人體電感的大小，但是電感對確定放電電流的上升沿時間有決定性的影響，應當將它計算進來。設法減小該電感的大小是設計ESD測試儀器的主要難題之一，該電感的大小應小于0.1μH）。圖2的電路可以模擬人體的靜電放電，被IEC標準和許多制造商用于靜電測試。
　　靜電放電抗擾度的試驗方式有接觸放電和空氣放電兩種，由于空氣放電方式涉及到外部火花通道的形成過程，溫度、濕度以及靜電槍接近被測物體的速度變化都會引起放電過程的顯著變化，測試的數據可靠性及重復性差，所以應優先采用接觸放電的方式。IEC標準《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗（IEC61000-4-2：2001）》將靜電放電抗擾度的試驗等級規定為如表1所示的幾個等級。
　　靜電放電的上升沿時間和其能量是決定放電嚴酷度的兩個主要參數。上升沿時間可以用人體電容和人體電阻的乘積RC（即時間常數）為特征，而能量的大小可按下式計算。
　　W=0.5CU2（J）
　　式中：C為人體對地電容（F）；U為人體靜電電壓（V）。
　　上升沿時間的特征值RC愈小或放電的能量愈大，表明靜電放電的嚴酷程度愈高。靜電放電的電流波形見圖3。
　　2 人機界面面板材質的選擇
　　既然人體是主要的靜電攜帶體，如果帶電的人體通過接觸使控制系統人機界面的面板攜帶電荷，那么面板上的放電應該通過面板表面緩慢進行，以限制電流，防止損壞。表示這一特性有一個重要參數—— 衰減時間τ，它可表示為：
　　τ=ερ
　　式中：ε為材料的介電常數；ρ為材料的表面電阻率（Ω/m2）。
　　其中ρ的變化范圍要遠遠大于ε的變化范圍（ε值一般為2～11，相差僅5倍，而ρ的大小要相差1010倍）所以對衰減時間τ起主要作用的是材料的表面電阻率ρ。
　　一般認為，人機界面面板材質的表面電阻率不宜超過1011Ω/m2。目前，最常用的面板材質有聚碳酸酯（PC）和尼龍（PA）等。面板材質的選擇，還必須考慮機械加工性能和化學穩定性。如表面電阻率不滿足要求時，可以采取如下措施：（1）在原材料中加防靜電添加劑。（2）因為靜電是僅發生在材料表面上的現象，所以可在面板表面涂層（包括在金屬面板上覆蓋一層涂層），使表面電阻率符合要求。
　　3 防護措施
　　為防止控制系統和電路不受靜電放電的干擾和破壞，在常見的防護方法中，有幾種和靜電放電電流的泄放路徑相關。
　　3.1 金屬火花吸收器
　　在設計面板時應盡量讓靜電放電電流直接到地，而不會流過敏感的電路或器件。若是使用絕緣鍵盤，那么可以在鍵盤與電路之間使用金屬火花吸收器，為靜電放電電流提供可選擇的泄放路徑。金屬火花吸收器安裝在絕緣面板的后面，并應接地到機殼或機架的保護地上，絕不能接到信號地上。
　　3.2 印制線路板上的保護環
　　操作人員將印制線路板插拔到母板上去的動作是產生靜電損傷問題的一個常見原因。為此，可沿電路板的邊緣設計一個保護環，并將該保護環接地。當操作人員手拿電路板時，可將人體上的電荷通過保護環釋放到接地裝置上去。電路板接入系統后，保護環仍然起到保護它的作用。若有帶電的人或物體靠近電路板，任何產生的放電都有可能是向著接地的保護環，而不是向著電路板上的電路。
　　3.3 控制系統的信號地與保護地必須分開
　　無論是金屬火花吸收器，或是印刷線路板上的保護環，乃至用金屬屏蔽體將電路屏蔽接地，為避免靜電放電電流不流過或靠近敏感的電路或器件，在同一個設備上必須分別設置信號地和保護地，而且應盡量拉開它們之間的耦合距離。靜電放電電流（包括雷電波和開關啟/停的浪涌電流）只能通過保護地進行泄放。
　　3.4 采用金屬屏蔽體
　　用一個接地金屬盒完全罩在一個電路上，并使兩者之間相互分離，該電路與金屬盒沒有任何接觸。當發生放電時，由于存在接地引線電感，金屬盒的電位就會上升。金屬盒內電路的電位差也會隨之上升，即使這樣，但在金屬盒內的電路上的各點之間不會產生電位差。因此，只要金屬盒能將電路完全屏蔽，電路就不會損壞。如果金屬屏蔽盒不連續或有孔洞，在金屬屏蔽盒的表面就會產生電位差。這種屏蔽盒內的各部分與電路之間的分布電容形成的電壓，會在電路中產生新的電壓。這樣也許會影響電路的正常工作，所以要盡可能地完全將電路屏蔽。
　　3.5 電路設計和印制線路板布線
　　（1）盡量不選用脈沖邊沿觸發方式。（2）避免將MOS器件直接連到容易發生靜電放電的連接器引出端。（3）印制電路上所有的回路面積應盡可能的小。
　　參考文獻
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　　[4]Michel Mardiguian；Electro Static Discharge：Understand，Simulate，and Fix ESD Problems；Michel Wiley-IEEE Press，2009（9