静电防护设计

物体的静电带电,或称静电起电,是由于处于不同带电序列位置的物质之间接触分离(摩擦)使物体上正负电荷失去平衡而发生的静电现象。

静电放电的定义及特点 

静电放电ESD Electrostatic Discharge)带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时,因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。

特点:静电放电是高电位、强电场、瞬时大电流的过程。静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲(EMP)。

ESD防护设计要求 

总原则:静电屏蔽,滤波去耦,绝缘隔离, 接地泄放,良好搭接,瞬态抑制

① 机箱金属之间要实现良好搭接;接处要采用面接触,避免点接触;相互搭接的金属之间的电化学位差不大于0.6V。

②人员接触的键盘、控制面板、手动控制器、 钥匙锁等金属部件,应直接通过金属机架接地。如果不能实现接地,则其与电路走线和工作地的绝缘距离应大于6mm。

③ 机架式设备一般采用复合式接地,工作地、电源地、保护地与机架在内部要良好隔离,在机架接地螺栓处汇接或在外部接地汇集线上汇接,形成良好的静电泄放通路。

④ 小型低速(频率小于1MHz)设备可以采用工作地浮地(或工作地单点接金属外壳)、金属外壳单点接大地,使静电通过机壳泄放到地而对内部电路无影响。

⑤ 小型高速(频率大于10MHz)设备的工作地应与其金属机壳实现多点接地,接地点的间距应小于最高工作频率波长的1/20,且金属外壳单点接大地。

⑥ 机架设备的接地点与外部接地桩之间要保证可靠的电气连接;接地线材料应采用多股铜线;接地铜线的截面积尽可能大;接地铜线的接头应采用铜鼻子。

案例分析

案例一  ESD使系统重启 

现象:ESD试验中,对10/100M以太网RJ45金属电接口进行6kV静电放电时,系统重新启动。

原因:RJ45金属网口的方形开口四周喷上了厚厚的一层漆,使RJ45金属网口与前面板搭接不好。

改进及结果:将漆层去掉后,系统顺利通过了接触放电6kV静电试验。

案例二 ESD使单板复位 

原设计:复位信号线长距离地走在表面,线宽8mil,而且离面板边较近。

改进:将复位芯片下移,复位信号线用20mil的线,走内层。

案例三 ESD使单板程序跑飞 

原设计:内存条距离铝合金面板很近,不到30毫米。

改进:将内存条安排得距离铝合金面板远一些。

案例四 ESD一直不通过 

问题:某单板的ESD试验一直不通过,6kV接触放电时,其通讯链路中断。

改进措施:修改原理图和PCB设计,将原来板上的10uF钽电容(共68个)全部改为22uF的陶瓷电容。 

结果:6kV接触放电时,单板工作正常

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