基于EMC静电放电的整改方案与设计

基于EMC静电放电的整改方案与设计
文章阐述了静电放电的原理和危害，以及原因分析和基本对策。

通过具体的整改方案和典型电路，掌握了静电放电抗扰度的整改和设计。

标签：静电放电；ESD整改方案及实例；防静电设计
1 静电放电原理及其危害
静电放电是一种自然现象，当两种不同介电强度的材料相互摩擦时，就会产生静电电荷，当其中一种材料上的静电荷积累到一定程度，在与另外一个物体接触时，就会通过这个物体到大地的阻抗而进行放电。

静电放电对电子设备（产品）就是一种主要的干扰源。

静电放电对产品两种危害：（1）当人体接触到半导体的时候，通过静电放电，可以导致数层半导体材料击穿，导致损坏设备（产品）、瘫痪系统等，造成不可挽回的损失。

（2）静电放电形成的骚扰电流和电磁波会被产品吸收，造成产品的误操作、误显示。

2 静电放电的危害分析及防护措施
2.1 静电放电对产品危害分析
静电放电对产品的非破坏性影响，是由于静电放电形成的骚扰电流或电磁波被PCB板上的线路和元器件吸收，从而转换成为对产品的电子系统造成传导干扰和辐射干扰。

常见的现象有：死机、复位、数据丢失、显示异常（蓝屏、花屏、数码管乱显示）、产品失效等。

静电放电对产品的破坏性影响，是由于静电放电的热效应和强电磁效应造成的。

静电放电的热效应是因为静电电流大、电压高、放电时间短，形成破坏性热击穿，导致电路损坏。

静电放电的强电场效应是因为MOS器件的栅极氧化膜厚度为1*10-7m量级，100V的静电电压在栅极氧化膜上可以产生1*106kV/m的强场，而MOS管的氧化膜的击穿强度仅为0.8*106-1*106kV/m。

因此静电电压容易导致MOS场效应管的栅极氧化膜被击穿，使MOS管器件失效。

2.2 常用静电放电的防护措施
2.2.1 静电放电经常容易出现问题的部位
静电放电容易产生的部位：接口连接处、面板按钮处和结构缝隙。

2.2.2 接口連接处的静电放电处理措施
（1）保证连接器的金属外壳和设备的金属外壳良好接触，使静电电流直接从设备外壳泄放到大地上。

使用材料：导电胶布、弹簧等。

（2）设计时尽量避免复位电路（线）、片选信号、控制信号等敏感线路靠近接口连接器。

（3）还可以采用抗静电较强的接口芯片，或者采用TVS管对地进行静电抑制，或者在信号线上串接电阻。

2.2.3 面板按键的静电放电处理措施
（1）指示灯、按键等在面板上的开孔尽量小。

（2）指示灯和按键的PCB板尽量远离面板。

（3）在面板上增加一层高绝缘材料来隔离。

（4）用TVS管或者电容对按键电路进行处理。

（5）改变面板信号线的走线方式。

（6）对信号线加磁环处理。

2.2.4 缝隙处的静电放电处理措施
（1）对在缝隙处可以看到PCB裸露的金属部分贴绝缘膜。

（2）改变缝隙结构，设计成倒挂槽结构。

（3）在缝隙中增加绝缘材料，使静电无法通过。

（4）将缝隙用铜箔贴住，用尽量短的导线连接到大地。

3 案例分析
案例一：4.3寸液晶显示器的ESD整改现象：对4.3寸液晶显示器的液晶屏与面壳边框缝隙打8kV的空气静电放电，液晶屏显示画面异常：有时出现复位，有时图像发白。

原因分析：检查发现塑料面壳与4.3寸液晶屏的金属边框缝隙太大，施加8kV 的空气静电放电，放电电流会流经液晶屏的金属壳，由于金属外壳是孤立的，没有接地，静电电流会继续对液晶屏内部电路和PCB放电。

于是出现液晶屏画面异常。

整改方案：屏蔽和接地法。

图1是4.3寸液晶屏PCB的安装示意图，用铁线将PCB的地网与4.3寸液晶屏的金属壳连起来，这样把静电放电的能量直接流入PCB的地。

验证：再对4.3寸显示器的塑料面壳内边框与液晶屏的金属边框缝隙施加8kV的空气放电，液晶屏图像未出现异常，整改OK。

案例二：LED台灯触摸按键的ESD整改
现象：图2是调光LED台灯的金属触摸按键，由于金属触摸按键裸露在外壳的外面，优先选择4kV的接触放电。

测试结果：静电放电过程中台灯灯光亮度明暗变化，LED指示灯坏，ESD测试Fail。

图2 台灯触摸按键的ESD静电放电抗扰度整改
原因分析：由于金属触摸按键开关是一个压电感应开关，如果直接打4kV
静电接触放电，肯定影响或者损坏与触摸金属按键相连的元器件，同时LED指示灯离触摸按键金属部分太近，而且存在缝隙，LED灯珠会因静电放电而被击穿损坏。

整改方案：加绝缘片，介质隔离。

用一个0.5mm厚的透明PVC片贴在触摸开关金属面上，经绝缘片隔离后，按标准选择8kV的空气静电放电测试。

测试结果，台灯亮度无明暗变化，整改Ok，但LED指示灯仍然烧坏，估计是通过按键间的缝隙静电放电引起。

在LED指示灯两端加一个104pF的瓷片电容。

重复8kV的空气静电放电测试，LED 指示灯正常，整改Ok。

4 静电放电之抗干扰电路设计（电磁辐射引起的）
4.1 芯片的电源滤波电路设计
总线驱动、接收芯片的电源必须要有良好的滤波电路。

如CPU、Flash、SDRAM等。

尤其是MCU，必须采用储能电容和高频电容配合滤波。

4.2 时钟信号的抗干扰设计
时钟输出端通过接RC电路，延缓输出脉冲的上升沿，从而减少时钟的高频谐波分量在频带上的宽度和防止产生振铃现象。

图3是TW9910解码芯片的时钟处理电路。

R选取范围是20欧-100欧。

图3 TW9910解码芯片的时钟信号抗干扰设计
4.3 复位电路的抗干扰设计
对复位电路的脉冲干扰抑制，可以采用TVS管（双向瞬态抑制二极管，结电容要小，最好在1000pF以下）；也可以用高频滤波电容，典型值是560pF，也可以用102代替，有时用103、104高频电容。

对于手动的复位电路，还可以在电路中增加一个小阻值的限流电阻。

复位电路设计见图4。

4.4 LED指示灯电路的抗干扰设计
对于LED指示灯的防静电设计，可以用高频滤波电容或者双向TVS管来搭建静电泄放回路。

电容的值为101-104pF。

电路设计见图5。

5 结束语
设计产品时，为了防止静电放电的发生，首先考虑要有足够的距离和绝缘强度。

如果无法避免静电放电，再通过屏蔽和接地的方式，给静电电流提供一个阻抗足够小的泄放途径。

其次，静电放电产生的电磁辐射会对PCB的铜皮走线和元器件产生电磁场干扰影响，所以PCB设计尽量防止大的电流环路，防止感应磁场；对于高阻抗布线，走线要尽量短，防止感应电场。

对于PCB走线较长的
电源线、信号线、复位线、时钟、片选、控制线、数据线等，在必要时，必须做抗干扰处理。

参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会[S].GB-T_17626.2-2006.电磁兼容-试验和测量技术-静电放电抗扰度试验，2006.
[2]钱振宇，等.开关电源的电磁性兼容设计、测试和典型案例[M].电子工业出版社，2011.。