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EMC静电放电测试与预防

我爱方案网| 电磁兼容,静电放电,抗扰性,被测样品| 2010-11-19
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静电放电的中心议题:
    * 测试标准中的测试要求、原理、方法
    * 静电放电对电子产品的影响
    * 静电放电抗扰度的预防措施
静电放电的解决方案:
    * 印刷电路板(PCB)板级的处理
    * 系统级的处理


摘要:本文先引用EMC标准IEC61000-4-2中静电放电测试标准中的测试要求,测试原理,测试方法,再介绍常见的产品标准中对电子产品的静电放电要求主要讲的是静电放电对电子产品的影响,以及一些基本的静电放电抗扰度的预防措施...

1引言
在真实生活中,静电是由多种原因产生的,例如薄膜和卷筒之问的摩擦,胶带的分离,物体破损,或者带电的粒子。静电会在各种情景,各种生产设备的各种流程中产生,而主要产生的原因就是重复的摩擦和分离。当电荷累积到一定程度,物体问就会存在电势差,接触或者相互;;::近过程会产生电荷瞬问移动,就会形成静电放电。静电放电经常会影响我们日常所用的电子产品的正常工作,甚至造成静电故障。主要是静电放电的过程是电荷移动的现象,既然有电荷的移动就有可能影响到电子产品的元器件的正常工作,特别是现代基本都是半导体工艺元器件。严重时还可能会造成元器件的损坏,静电故障就是由静电造成电子元件 (例如1C集成电路))损坏的一种现象。当1C中发生静电故障时,由于静电释放,高压电流瞬问穿过1C内部,破坏了高绝缘性二氧化硅(绝缘层)并损坏内部电路。所以在设计、生产电子产品的时候就应该考虑静电放电的影响。

为了模仿电子产品在现实环境中可能遭受的静电放电影响,国际标准委员会制订了相关的标准规范,斤民多国家或者地区都会自接采用这些标准作为本国或本地区的标准规范。特别是欧洲,凡是进入欧盟市场的电子电器产品必须符介EM(指令((2004/108/EC)要求,静电放电是EM(试验之一。

2国际标准的静电放电测试要求
在国际标准委员会制订的电磁兼容标准中,包括有基础标准和产品标准。其中静电放电测试标准是基础标准之一,有时候也叫测试技术标准。静电放电测试标准 1EC61000- 4- 2讲述了测试原理、等级、方法等几个方而的内容。1EC61000- 4- 2定义了四个标准测试等级和一个开放等级见表1。放电测试发生器的电路结构、参数见表2及放电波形如图1所示。然后是介绍了静电放电测试布置和测试方法,1EC61000- 4- 2使用了两种小同的测试方法:一种是接触放电。intact discharge,是自接对EUT放电这是首选的测试方法,如果接触放电小能被施加到EUT,接触放电还有问接接触放电即对水平祸介板HCP和垂自祸介板VCP放电测试模式图2,另外一种方法空气放电Air discharge可以使用,其实一般产品标准要求的抗扰度静电放电测试都要求两种方法进行测试。1EC61000- 4- 2典型测试布置图如图3所示。

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C级判定((Criterion C):指产品功能在测试前可正常被操作,但测试过程中受ESD放电影响,出现功能降低或异常,且功能无法自动回复,必须经由操作人员做重置(Re- set)或重开相L的动做才能回复功能,这情形则仅符介C级判定结果。

D级判定((Criterion功:指产品功能在测试前可正常被操作,但测试过程中出现异常,虽经由操作人员做重置(Re- set)或重开机也小能回复功能,这种情况大概产品已损伤严重,仅符介D级判定结果。(这属小介格)。

依lEC 61000- 4- 2法规建议,产品采购验证必须符介A级或B级的判定才能接受,C级和D级判定是小介格的。

常见欧洲标准中产品标准抗扰度要求,如家电类EN55014- 2,音视频类EN55020,信息技术类EN55024,灯具类EN61547等都有规定ESD的等级和测试要求。这几类产品的ESD要求是:接触放电1 4kV,空气放电1 8kV。

我们知道1EC61000- 4- 2规定的都是对成品的产品所做的试验,也就是最终自接到用户乎上的产品。但是可能还有些疑惑,就是我们常见到有些静电放电的技术文档会讲到静电放电的几个模式HBM. MM. CDIVIo而小是接触放电和空气放电两种方式。其实两种静电放电的测试环境是小同的,Contactdischarge和Air discharge对应的是测试最终产品的,是对系统级来做的测试。HBM. MM. CDM是在生产过程中静电放电模式,是对生产制造级的测试。HBM是人体模式,即模拟人体带电放电;MM是机器模式,是指带电机器通过设备到地放电;CDM是带电器件模式,模拟带电器件通过金属板放电。而且这两种测试环境对最终产品能否通过ESD测试都有重要影响。这两者是有各自的意义。

 
3静电放电影响及处理方法

1EC6100- 4- 2讲的是对应用户级的ESD测试,主要也就是讲Contact discharge和Air discharge两种小同方式下的ESDo看产品能否通过相应的标准等级要求。静电放电对系统级的测试产生的影响,轻者产品会发生一些另用户小愉快的现象或者小能正常工作,重者整个系统硬件损坏小可恢复。所以我们必须考虑ESD的影响以及相应的处理方法。

我们知道静电放电的产生是因为电荷的移动。那么我们可以考虑两个主要的方法,一是防比静电对电路放电,二是快速把电荷疏导,当然对电荷的疏导也就是会产生放电,放电产生的电场对电路的影响我们也是要考虑的。

4对ESD防护的处理可以从两方而入乎:一是印刷电路板(PCB)板级的处理,二是系统级的处理
PCB板级的处理,当然包括元器件,主要是半导体芯片,因为多数情况下受ESD影响都是半导体芯片,也就是半导体集成电路(1C)。对于芯片的保护可以加一些抑制器件将ESD的十扰降低,或者增加释放回路使电荷通过旁路释放,还可以添加滤波电路等方式降低ESD给电路带来的影响。如图4所示。必须注意以上的措施都要在ESD敏感,或者自接施加ESD的接日附近增加,因为如果措施加的地方小介理还可能引入放电电流。常用的这些器件包括电感电阻电容,TVS 管,现在还有专门的ESD保护器件。同时在进行PCB布线的时候要避免锐角走线的出现如图5中A的布线方式要避免,我们都}一分清楚尖端有放电和吸收电荷的特性,想想避雷针就知道。锐角的布线尖角处是容易引发ESD的,那么放电电流就会影响到邻近的电路,如果电流足够大可以把芯片损坏,况且这种走线也会引起信号突变。

系统级的处理,主要就是结构布局的考虑。比如金属外壳的散热问隙小连续的接地而断裂带会引起放电如图6,如果正对的是ESD敏感电路,就可能会产生小良的影响。我们可以加一层绝缘层或者屏蔽层将缺日与电路之问隔断。还有螺钉也有尖端二次放电的作用如图7所示。而且电子产品须要有开关及按钮,因此要防比 ESD能量从开关或按钮进入电路板伤及组件,可采用导电材质的垫片或垫圈以阻挡ESD电流。如果是非金属材质的外壳,电子产品的按键或者开关可以用高绝缘和耐高压的垫片隔离静电。我觉得在系统级的处理两个

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ESD都小通过,产品通过ESD的机会就很微。在做过的ESD试验中,也常碰到小满足ESD测试要求的产品。如有一厂家的一款电表,8kV对而板(主要是液晶屏)正负空气放电(死机),在而板内侧}lJt上防静电薄膜就可以了,而换成普通薄膜小行,这个其实就是外加屏蔽。但是同一厂家另外一款电表同样的问题(小同电路设巾,用同样的方法却没有解决ESD问题,也尝试过在敏感电路部分加旁路,也是没有解决。最终只能回去重新做PCB,而且是加了ESD抑制器件,还在CPU部分电路力}}了屏蔽罩,重新测试ESD才通过了。还有一个例子,电池供电的钥匙扣电子相框塑料外壳,刚好是外壳结介处8kV的空气放电小通过。做HCP和VCl〕的ESD试验都是可以的。因为PCB layout很小,而且元器件很密集,很难从中改动。最后只能力}}绝缘层,做个模将PCB包起来了,虽然类似这种做法都是结构上的考虑,但是在测试上确很实用。当然了这个做法在生产上就算可行,也是增加小少成本。由此也看到,尽管IEC6100- 4- 2测试的是系统级的ESD,但在设计阶段就要考虑到ESD,小是光生产出产品之后才考虑ESD。这样小仅可以保证产品的顺利生产还可以节省一些成本。对 ESD的考虑包括设计阶段到成品,处理的措施也是从PCB板级到系统级,这些都是对应的。当我们明自了测试原理方法以及测试的目的,对于ESD就小会无所适从了。

5小结
通过工作上的经验总结,希望能够帮助到有这方而需求的朋友,也希望在这方而与大家进行交流,共同提高。标准和测试技术小断更新进步,斤民多东西等着我们去学习,更多的问题需要我们去解决。我相信只要肯研究,小断学习,斤民多问题都是可以解决的,只是方法措施完善程度。希望大家的共同努力小仅在系统级上有能够抵制ESD的产品,在生产制造上也能够有抵制强ESD的IC推出。解决ESD问题那就小再是麻烦的事情。

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