LED 燈位置的ESD 解決方案

王德瑜

（捷普科技（上海）有限公司，上海200233）

1 概述

靜電是人們非常熟悉的一種自然現(xiàn)象，當(dāng)人體接觸電子產(chǎn)品和設(shè)備時就可能產(chǎn)生靜電放電，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。其它帶靜電物體或動物經(jīng)過電子產(chǎn)品或接觸電子產(chǎn)品和設(shè)備時，也會造成同樣的結(jié)果。電子產(chǎn)品和設(shè)備通常都會有接口與外界連接和通訊，常見的有USB 接口、耳機、顯示器接口、天線接口及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口，這些位置都需要進行ESD 防護。另一類則是用于功能狀態(tài)指示的LED 燈、顯示屏，ESD 可能會造成產(chǎn)品狀態(tài)的顯示異常，造成使用者做出錯誤的決定，進而引發(fā)安全問題。

靜電放電測試的目的就是測試單個設(shè)備或系統(tǒng)的抗靜電干擾的能力。它模擬：（1）操作人員或物體在接觸設(shè)備時的放電；（2）人或物體對鄰近物體的放電。

靜電放電可能產(chǎn)生如下后果：（1）直接通過能量交換引起半導(dǎo)體器件的損壞；（2）放電所引起的電場與磁場變化，造成設(shè)備的誤動作；（3）放電的噪聲電流導(dǎo)致器件誤動作。下文對實際設(shè)計的一款充電器產(chǎn)品LED 燈位置的ESD 防護做了一個詳細的描述，提出了解決該類問題的設(shè)計思路和解決方法。

2 產(chǎn)品問題描述

本充電器為醫(yī)療產(chǎn)品的專用鋰電池充電，需要符合相關(guān)的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)。一個充電器可以同時為兩個鋰電池充電。產(chǎn)品要可靠、安全，不能讓醫(yī)護人員對電池的充電狀態(tài)有誤解，進而導(dǎo)致對醫(yī)療產(chǎn)品的使用和時間安排造成影響。

充電器產(chǎn)品采用防火塑料外殼，用兩個LED 燈指示兩個鋰電池的充電狀態(tài)，由一個220 伏轉(zhuǎn)5 伏電壓的適配器供電，鋰電池采用5 個觸點（正極，負極，NTC，SDA，SCL）。電路板采用兩層PCB 板，LED 燈表面貼裝在PCB 表面上。用兩個導(dǎo)光柱將光線傳導(dǎo)到塑料外殼外面。綠燈閃爍為正常充電中，綠燈常亮表示為充滿，黃燈為數(shù)據(jù)通信錯誤，沒有紅燈常亮的狀態(tài)。測試標(biāo)準(zhǔn)按照IEC 60601-1-2:2014，IEC 61000-4-2:2008，通過條件為空氣放電達到±15kV，接觸放電達到±8kV，產(chǎn)品工作正常。

實際測試中發(fā)現(xiàn)，充電器在充電狀態(tài)下，空氣放電±8kV 產(chǎn)品工作正常，LED 燈顯示正常，空氣放電±15kV 時，在導(dǎo)光柱與外殼的配合處有明顯的火花看見，聽到放電聲，LED 燈隨之熄滅。

3 問題分析

導(dǎo)光柱采用裝配的方式安裝在充電器外殼上，雖然配合間隙很小，但還是會有空氣間隙，靜電槍釋放的靜電依舊可以從這個縫隙到達PCB 板上的元器件，當(dāng)電壓達到一定程度時，空氣被擊穿，放電產(chǎn)生，靜電由最近的位置進入電路板并沿電子線路傳播，有電子器件不能承受高壓或大電流導(dǎo)致?lián)p壞，電路完全失效，不可恢復(fù)。

在產(chǎn)品設(shè)計初期，考慮到裝配和成本原因，結(jié)構(gòu)上導(dǎo)光柱采用單獨設(shè)計，兩個導(dǎo)光柱分別裝配到殼體中，通過干涉配合保證導(dǎo)光柱不會從殼體中脫落，導(dǎo)光柱用料最少。電路設(shè)計上采用兩層電路板設(shè)計、成本最低。從電路板水平方向看，可能有6 個位置的電子器件與導(dǎo)光柱較近，存在靜電進入的可能。通過對垂直界面空氣間隙路徑的分析（圖2），可以確定空氣間隙距離最小為9.8mm。這也解釋了測試中+/-8kV 可以通過，而+/-15kV 失敗的原因。（經(jīng)驗值：在實驗室條件下1.0mm 空氣間隙可以承受1.0kV 的靜電，高濕度的環(huán)境中空氣間隙會相應(yīng)變大）。

圖1 水平方向的空氣間隙路徑

圖2 垂直截面的空氣間隙路徑

為解決充電器的ESD 問題，從純機械的角度而言，如果導(dǎo)光柱與殼體之間沒有空氣間隙，自然就沒有ESD 的問題。要達到這樣的目的，有許多方法可以采用。

方法一，采用點膠方法。 先將導(dǎo)光柱表面涂覆膠水，然后進行裝配，與殼體粘接在一起，用膠水（硅膠或環(huán)氧膠等）填充微小的間隙。或者將導(dǎo)光柱與殼體裝配好后，在機器內(nèi)部的導(dǎo)光柱周邊點膠水。點膠方法增加了生產(chǎn)線的制程和控制難度，如果產(chǎn)線制程控制不良、存在空氣間隙，也無從發(fā)現(xiàn)問題，同時也可能造成外觀不良。點膠設(shè)備以及膠水的使用也增加了生產(chǎn)線的投入和產(chǎn)品成本。

方法二，采用增大空氣間隙的方法。通過結(jié)構(gòu)的改進，可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離，從而使ESD 的能量大大減弱，建立一個擊穿電壓大于測試電壓的抗ESD 環(huán)境。需要結(jié)構(gòu)和電子一起配合進行，適當(dāng)調(diào)整或改變電路板的元器件布局。在結(jié)構(gòu)空間受限的情況下，通常會采用迷宮式設(shè)計，類似于兩組散熱片對插的形狀，運用兩組多道塑料薄壁，增大空氣間隙。

方法三，改變產(chǎn)品LED 燈處外觀設(shè)計。采用裝飾面板的設(shè)計，如洗衣機控制面板的設(shè)計，用一層塑料薄膜面板將LED 燈覆蓋并保護起來，完全封閉空氣間隙。這個方法會徹底改變當(dāng)前產(chǎn)品外觀，不予考慮。

方法四，采用半透明外殼材料，讓LED 燈光線從內(nèi)部投射出來。這個方法對產(chǎn)品外形設(shè)計改變不大，但是對外殼材料及顏色有要求和限制。LED 燈光線通過外殼材料后會發(fā)生顏色混合的現(xiàn)象，對特定場合的應(yīng)用會有限制。本產(chǎn)品采用的是藍色外殼，如果在半透明藍色的基礎(chǔ)上顯示純正的黃色指示燈光也沒法實現(xiàn)。故本方法不予考慮。

以上的四種解決方案都為“堵”的方法。

相對于“堵”的方法，還有用“疏”的方法。 例如，可以用導(dǎo)電油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。導(dǎo)電油漆是導(dǎo)電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導(dǎo)在殼體上；再將殼體與PCB 的地連接，將靜電從地導(dǎo)走。這樣的處理方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI 的干擾。導(dǎo)電漆的運用會大幅度增加產(chǎn)品零件成本，增加對環(huán)境的傷害，不利于回收利用。非不得已的情況下不建議使用。

電路方面提高抗ESD 設(shè)計是解決問題的另一個角度。例如采用多層電路板設(shè)計；增加抗ESD 器件；增加走線的線寬和線距；杜絕敏感信號線布置在PCB 的邊緣；對布置在PCB 邊緣的印制線進行包地處理，可以降低該印制線對參考地板或金屬外殼之間的寄生電容。這些對于ESD 性能都有好處。

有時候ESD 問題也可以從軟件角度來改進，這個是建立在設(shè)備硬件及元器件沒有物理損壞，且不用設(shè)備拔電重啟的前提下。即設(shè)備在遭遇到ESD 靜電釋放，LED 燈顯示異常后，軟件在下一個時間點對LED 燈的顯示狀態(tài)進行刷新或同步操作，LED燈顯示恢復(fù)正常狀態(tài)。這種設(shè)置不會影響到設(shè)備的正常使用。用戶只會發(fā)現(xiàn)在某一短的時間里L(fēng)ED 燈異常閃爍了一下，立刻又回復(fù)正常。這種情況是可以接受的。

4 解決方案

實際案例中最終采用了增加空氣間隙的方法，如圖3 所示，將兩個導(dǎo)光柱向四周延長合并成一個，用導(dǎo)光柱材料覆蓋住下方的電子器件，同時PCB 上高的元器件移出相應(yīng)的位置，以利于簡化導(dǎo)光柱的形狀。從圖4 中可以看到，空氣間隙增加到17.6mm。經(jīng)過實際實驗，順利通過+/-15Kv 的測試。

導(dǎo)光柱的設(shè)計相對于最初的設(shè)計有所復(fù)雜，使用材料也略有增加，但是對系統(tǒng)的防護最直接，也最可靠，且安裝簡單；同時，電路改動也小，只是進行了元器件位置的變化，軟件未做改動。

圖3 水平方向的空氣間隙路徑

圖4 垂直截面的空氣間隙路徑

結(jié)束語

ESD 問題的解決是一個系統(tǒng)問題，可以從機構(gòu)、電子以及軟件多個方面入手。實際應(yīng)用中需要結(jié)合具體的問題具體分析，選擇最優(yōu)的解決方案，滿足產(chǎn)品性能、項目進度以及成本要求，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計余量也是要考慮的。