静电放电解决指南

静电放电解决指南

序言

近日来，许多人通过信函咨询有关静电放电的问题，有些人甚至带着他们的产品来我所培训时进行讨论，寻求妥善解决的方法。从他们急切的心情中，可以理解静电放电问题真是让人伤透了脑筋。特别是北方地区，冬季越来越干燥，几乎人人身上都携带着数千伏的静电（过去化纤衣料较少，这个问题还不是很突出），静电的潜在危害无处不在。

随着电子/信息技术的发展，设计人员的知识增长呈现出前所未有的速度。但是与与日俱增的静电和更加严格的静电放电抗扰度要求相比，设计人员有关静电和静电放电的知识却没有增加。这就是为什么我们设计产品总是会出现静电放电方面的问题的原因。事实上，设计人员在设计产品时，几乎没有固定的思路来防止静电放电问题。当问题出现时，他们会尝试各种方法，直到问题解决。往往当问题解决时，他们并不知道为什么解决，并且心里还是忐忑不安，生怕问题没有彻底解决。之所以会这样，是因为我们不知道静电放电对设备造成影响的机理，因而也就不知道怎样来消除这种影响。

有关静电放电机理、对设备造成影响的机理和解决静电放电问题的方法。可以从下面五个内容进行考虑：

第一：静电放电的模型，静电放电对电子设备的影响

第二：固件、软件和线路板上的对策

第三：电缆与机箱设计指南

第四：电路设计指南

第五：制造、运输和安装过程中的注意事项

1.静电放电模型

要完全理解静电放电（E电弧D）事件，必须首先了解静电放电产生的原因。本章对静电放电进行详细的论述。为了使讲解更具体，以在地毯上行走的人接触电气设备为实例。本例中的设备是计算机的键盘（因为键盘是操作员最频繁接触的）。但一定要记住，这里介绍的静电放电过程适合于其它任何场合。

首先我们假设人体是不带电的，然后讨论人体充电的过程。当人在地毯上行走时，鞋跟会与地毯碰撞接触。这时，电荷会在地毯和鞋之间移动，具体移动方向取决于鞋子和地毯材料的分子结构。这通常称为摩擦充电。许多文献都给出了摩擦生电的排序表，说明什么物质可以从什么物质吸引电子。实际上，很难确定一个能够用实验重复的精确序列。有时人造织物会从橡胶吸引电子，而有时相反。这通常用物质表面不纯来解释。因此，在实际中很难预见鞋子是带正电还是负电。但有一点是肯定的，就是鞋子上会带电，而地毯上的脚印上会带相反的电荷。当人在地毯上行走时，鞋子上的电荷越来越多，直到鞋子存不下为止。

与充电过程相反的过程是回放电流。大部分回放电流流过鞋子和地毯，一小部分流过空气。较高的湿度会降低介质的电阻，增加回放电流。这意味着鞋子的充电会达到一个平衡点，在平衡点，充电电流等于回放电流。温度也会影响介质的电阻，但比湿度的影响小得多。

至此，我们仅讨论了鞋子和地毯这样一些绝缘介质。不要忘记，还有人体这样一个导体存在。鞋跟上的静电荷会产生一个静电场，在这个静电场的作用下，脚跟处会感应出极性相反的电荷，于是人体上的电荷要重新分布。人体组织，除了皮肤以外，是十分良好的导体，因此在人体的其它部分会产生与脚上电荷极性相反的电荷。例如，假设鞋跟从地毯吸引电子，地毯上留下了正电荷，鞋子上带负电荷，这些负电荷会将人体上的正电荷吸引到脚上，于是人体的其它部位剩下负电荷。人体上的电荷量取决于前面所述的回放电流。电压可以达到很高，甚至发生辉光放电。

辉光放电是空气电离的结果。空气电离是指当加在气体上的电场强度很高时，气体中的自由电子或离子将获得足够的能量，撞击其它原子和分子，产生更多的自由电子和离子，形成导电气体。只要外界的电场强度足够大，就能维

持这一状态。

下面，再把实例中的键盘加入到讨论中。当人体接近键盘时，会在键盘上靠近人体（手臂）部位感应出相反的电荷。由于键盘是接地的，因此其充电过程是由电子在键盘内部的地线上流动而产生的（没有接地的设备是由电荷重新分布来抵消人体电荷的）。在本例中，由于人体带负电荷，因此键盘会通过地线失去电子而带正电荷。人体与键盘之间的距离越近，键盘上相反的电荷越多。键盘充电的速度与人体接近键盘的速度有关。但是即使接近速度很快，充电电流的上升速率也是很低的，因此，在放电发生之前形成的充电过程并不会对键盘的工作造成任何影响。

比充电更重要的一个因素是放电之前存在与人体和设备之间的静电场。这个电场会在设备上感应出不同的电压。设备上不同部位的电位差如果太大，会造成集成电路等器件的损坏（这意味着并不只有静电放电会带来危害）。

我们将本例中的人体和键盘用图1所示的模型来表示。

图1 人体和键盘静电放电系统的模型

图中各参数的含义如下：

C人体 = 人体和大地之间的电容

R人体 = 人体的电阻

L人体 = 人体的电感

C臂 = 人手臂与大地之间的电容

C臂键 = 人手臂与键盘之间的电容

R臂 = 人手臂放电路径的电阻

L臂 = 人手臂放电路径的电感

C指 = 人手、手指与键盘之间的电容

C键盘 = 键盘与大地之间的电容

R键盘 = 键盘到大地路径的电阻

L键盘 = 键盘到大地路径的电感

C指、C臂键与C键盘之间的电阻和电感很小，因此没有包含在这个模型中。关于这个模型，需要强调以下5点：

1) 虽然模型中用集总参数来描述，但是一定要清楚在实际中是分布参数。（在精确描述静电放电过程方面，传输线理论更适合）

2) C人体、C臂和C键盘通常称为自由空间电容，因为这两个电容元素（身体和地球）通常距离较远，接近自由

空间的电容值。注意，这并不是不变的，当人体靠近大地时，人体的电容更大一些。

3) 在C臂键盘与键盘之间或 C臂与C人体与大地之间没有电感或电阻。这意味着在设计用来模拟这个模型的静电放电发生器时要非常仔细。甚至一根导线的电感也会严重影响结果。

4) 这个模型中的设备是接地的。手持或袖珍设备中没有R键盘和L键盘。

5) 虽然这个模型是针对人体-键盘模型提出的，但实际是非常通用的。通过改变L、R、C，可以作为其它静电放电现象的模型。

前面的模型完整地描述了静电放电事件中发生的充电过程。下面要讨论放电过程。当人的手指靠近键盘时，手指与键盘之间的场强会很强，导致空气击穿。这首先形成一个离子导电通路，然后形成电弧，这时开始了主要的放电过程。

虽然在电弧发生之前手指向键盘逼近的速度并不重要，但是在电弧发生期间手指逼近键盘的速度却非常重要。电弧形成所需要的时间远比电弧的持续时间长。由于在电弧形成过程中手指保持向键盘移动，因此快速移动时比慢速移动时形成的电弧间隙小（即使电压是相同的）。因此，对于快速移动，与电弧间隙的电压会很高。由于更快的电流上升速率和更大的幅度，因此会产生更强的静电放电。

对前面的模型稍微进行修改，就可以用来描述静电放电过程。如图2所示，基本模型保持不变，仅在电弧放电路径上与C指并联了电阻和电感。R电弧和L电弧并不是常数，在电弧发生过程中是发生变化的。特别是R电弧的值，开始时较大，随着空气电离程度的增加，越来越小。

图2包含了弧光的静电放电模型

这个模型虽然有一定的局限性，但是能够比较确切地描述静电放电的过程。当电弧形成时，首先使C指放电。 R 电弧、L电弧和C指形成了一个阻尼震荡回路。阻尼特性取决于R 电弧，而回路的振荡频率取决于L电弧和C 指。C指的量值取决于手指和手的大小。较小的手和较细的手指具有较小的C指，而从理论上讲，较小的C指具有较高的频率。但是，较细的手指也会在较低的电压形成辉光放电。辉光放电的发生会严重影响放电波形。在这个模型中，辉光放电的离子流可以看成将C指、C臂键盘和C臂短路的旁路电阻。在电弧发生之前，离子流提供的旁路会对C指充电。这意味着，放电波形中的高频成分会减少。因此，只有当辉光放电没有发生时，静电放电的最高频率才取决于R 电弧、L电弧和C指的量值。

当CF 放电时，由C 键盘、C臂和C臂键盘构成的并联网络也开始放电。但是，这个并联网络的放电电流不仅仅流过R 电弧和L电弧，也流过R 臂和L臂。另外这个并联网络的电容大于C指。这意味着C 臂和C臂键盘的