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1、静电放电问题案例分析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，Integrated Circuit）时 ，电荷“跨接”，引起静电
2、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、静电放电简介一、静电放电简介 2.静电放电产生的三个条件：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；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；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，产生充满静电的导体接近一个金属器件，产生 放电。放电。 一、静电放电简介一、静电放电简介 3 静电危害对象静电危害对象 精
3、密精密芯片：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：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：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：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、静电放电简介一、静电放电简介 4.静电放电分析静电放电分析 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、静电放电简介一、静电放电简介 5.防护静电的一般方法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
5、试方法二、静电放电的测试方法 1.测试方法测试方法 直接接触放电直接接触放电(尖电极头尖电极头)：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。 空气放电空气放电(半圆电极头半圆电极头)：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、水平耦合板放电垂直耦合板、水平耦合板
6、放电 三、传导型静电放电问题整改案例三、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 问题分析问题分析 问题问题措施措施结果结果
7、 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、辐射型静电放电问题整改案例四、辐射型静电放电问题整改案例 某型号商用电力集中器某型号商用电力集中器静电放电问题整改静电放电问题整改 根据静电放电抗扰度试验国家标准GB17626.2-2006规定
8、，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。 案例分析案例分析 （1）非金属绝缘体外壳 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
9、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
10、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
11、低，因 而对于大的冲击电流特别敏感，过大的电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-GY
12、200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放电影响所 致。 整改整改方案方案 1.核心板电磁屏蔽。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
13、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，保障了该系统的正常 运行。 2.制造制造ESD地。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
14、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。 整改结果整改结果 采取的措施 测试结果 理论分析 接触式 （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
15、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、皮带四、皮带秤静电整改秤静电整改案例案例 问题提出： 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： 案例案例分析分析 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
16、构不良，引起各种放电，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。
