硕凯ESD防静电保护器件常见故障和解决方案

对设备外壳的放电

对于下图中的情况，设备内电路和金属外壳有电连接， 设备内电路有线在远端接地； 处理方法：见下页。
电路和机壳相连时， 产生的静电电流路径
上页情况的处理方法之一
有条件接地的设 备；外壳接地并 且要保证接地阻 抗小，无改善则 去掉电路和外壳 的连接
无法保证接地阻 抗小的设备，其 在外部接地的线 和机壳相连。无 改善则去掉电路 和外壳的连接，
L>0.5cm
对金属连接器的外壳接触放 电

分两种情况，一、金属外壳不是该连接器内信号线的回流地（如232串 口），如下图，采用的处理方法为： – 单板上划分出PGND和GND； – 连接器金属外壳接PGND； – PGND通过接地电缆接大地； – PGND和GND无任何连接； – 每根线对PGND接TVS管进行静电脉冲抑制。
静电放电输出电流的波形
测试注意事项 1.对于只有在厂家维修或用户维修、保养时才能触及到的点 或表面，以及正常使用中用户很少触及到的设备的点或 表面（例如更换电池时的电池触点），这些点或表面不 进行静电放电测试。 2.
电磁兼容的三要素：干扰源、耦合路径、 敏感源。 对于解决抗扰问题来说重要的是后两项。 其中最主要的就是在耦合路径上想办法。
三类设备静电问题处理

绝缘外壳设备，静电试验主要针对绝缘外壳（空气放电）、金属连接 器的外壳（直接放电）、塑胶连接器的外壳（空气放电），面板上的 一些复位按钮、拨码开关以及指示灯等部位。
空气放电头
塑胶外壳
静电枪
对设备绝缘外壳的空气放电

解决此类问题的原则对策是空间隔离； 一般来说，在绝缘物体上空气放电是难以放出来的，但是如果附近有 金属件，则空气放电会对该金属件放电，所以，解决此类问题的最有 效方法是使设备内部的单板和绝缘外壳有足够的距离，特别是绝缘外 壳孔缝附近的PCB板必须和结构孔缝保持足够的距离。
接地点
检查此条路径是否“通畅” 之二

如果放电点和接地点在设备的不同结构件部位（即两 个点不在一个完整的金属体上），则检查这两个金属 件之间的电搭接是否良好，一般来说，需要关注搭接 放电点 的地方是否大面积接触，没有喷绝缘漆。
不喷绝缘漆 接地点
泄放途径附近是否有内部电 缆

静电电流泄放途径附近是否存在设备内走线，特别是 当放电路径上存在结构缝隙时，缝隙附近有信号线； 解决方法：1、改变此电缆的走线方式，远离放电途 径或放电途径上的孔缝；2、在信号线上增加磁环， 切断静电感应的共模电流； 放电点
实例1
前壳 金属板 按键板
放电探头
静电源
实例1
这是一个典型的电场耦合的例子。测试用的静电枪有一个 150pf左右的高压电容模拟人体电容。充到8KV然后通过 放电探头进行放电。 由于悬空金属板的作用，放电探头与按键板之间的分布电 容被大大增加了。这块金属板与按键板大小形状完全一 致，摆放也完全平行和重合。按键的整个电路都在金属板 的覆盖之下，也就是说静电电流可以耦合到按键板上任何 电路，可以耦合到电源、地，也可以耦合到复位电路、 CPU等敏感电路，最后通过大地回流。 后来，我们将这块金属板改成了塑料板，问题解决。
ESD常见故障和解决方案
--硕凯电子
内容简介
第一章：静电基本概念 第二章：故障现象 第三章：故障分析 第四章：解决方案 第五章： 总结
第一章：静电基本概念
1.为什么要做静电放电测试：人体常常都有静电，当 用手触摸电子设备或元器件时，常常会因为瞬间的静 电放电而使元器件或设备受到干扰，甚至损坏，因此 采用静电放电设备来模拟设备遭受直接来自操作者 和对临近物体静电放电时抗扰度的情况，考量设 备和元器件的抗静电能力。 2.静电放电现象之所以会产生电磁干扰现象，是
几种主要的耦合路径
共阻抗耦合： 当两个或以上的电路的电流流过公共阻抗时，就会出现 共阻抗耦合。 实际上，我们绝大部分的干扰最后都是通过共阻抗耦合 的方式来影响敏感电路，本质上都是共阻抗耦合。 如前面说的辐射、电场、电感、传导最后基本上都是干 扰电流流过敏感电路的阻抗起作用的。
几种主要的耦合路径
共阻抗耦合举个很简单的例子：
和机壳连接
上页情况的处理方法之二
对于无条件接 地的设备，去 掉电路和外壳 的连接，且使 其在外部接地 的线和外壳相 连。 对于无条件接 地的设备，去 掉电路和外壳 的连接，采用 双绞线的方式 传输信号。
和机壳连接
接口连接器等部位放电问题
对于接口、复位按钮、键盘以及显 示屏等部位的放电问题同一类设备；
显 示 屏 键 盘 贴膜
磁环 显示屏控制线 键盘控制线
主板
二类设备静电问题处理

对于此类设备的ESD放电部位和一类设备一样，包 括设备的外壳、连接器外壳、指示灯、复位按钮、拨 码开关、电源开关等部位，所以在出现静电问题时应 该针对这些地方进行处理。
外壳无接地设备
对设备外壳的放电

对于下图中的情况，设备内电路和金属外壳无电连接， 设备内电路有电缆在远端接地； 处理方法：见下页。
GND
PGND
对金属连接器的外壳接触放 电

二、金属外壳是信号线的回流地线，如音视频端子等，处理方法有： – 单板分PGND和GND； – 金属外壳接PGND，PGND和GND通过短线和GND相连（或0欧姆电 阻）； – PGND通过接地线接大地； – 信号线对PGND接TVS管进行静电脉冲抑制。

下图为俯视图，静电枪对连接器金属外壳进行放电时容易出现问 题，原因是连接器的外壳一般都接在单板地上，从而静电电流会 流进单板产生问题； 解决方法：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，可以采用导电布、 锯齿簧片等屏蔽材料来保证连接器的外壳和设备外壳良好搭接； 2、避免复位信号电路（线）、片选信号线以及控制信号电路等 敏感电路靠近接口连接器。 静电枪 敏感信号线 敏感电路 设备外壳 PCB
VB L
dI dt
几种主要的耦合路径
很明显，A电路的电流变化率越大，B电路的噪 声越大。在电路电压变化一定的情况下，A电 路电阻越大，电路变化率就越小。B电路的噪 声越小。
几种主要的耦合路径
传导耦合： 两个电路通过一个导体连接起来，一个电 路的信号会通过导体传导进另一个电路，形成 干扰。如通过共用的电源线、地线等等进行耦 合。
V
ZL
I
Zg
如图是一个信号驱动回路，V代表信号驱动源。可以看出芯片输 出脚，Zg表示地线阻抗，ZL表示负载阻抗，可以看成芯片输入 脚。那么ZL两端的电压就是信号输入电压。I是干扰注入的电 流。
几种主要的耦合路径
输入电路识别的就是负载两端的电压。很明显在 没有干扰电流注入的情况下，信号电压VL如下：
几种主要的耦合路径
IB C
那么B电路的干扰电压VB
VB RB I B CRB
dv dt
dv dt
电容耦合电压的大小取决于几个因素： 干扰电压的变化率，越大耦合噪声越大。 互容越大，耦合噪声越大。 接收电路的阻抗越大，耦合噪声越大
几种主要的耦合路径
电感耦合： 只要两个电路之间存在互感，一个电路变化的电流就会通 过互感影响另一个电路。 假设A、B两个电路，A电路的电流变化率 为dI/dt，互感为L，则B的感应电压。
当干扰电流流入时，运用基尔霍夫电压电流定律可以得出
ZL VL V Zg ZL
ZL VL V I Z L Zg ZL
很明显干扰电流已经影响到了信号输入电压。当干扰电流 足够大时，信号输入电压就超过门限，不能被识别。
设备分类

解决ESD问题要对设备进行分类，以做到不同类型 设备不同处理方式：
放电点 磁环 加滤波电容
加滤波电容
泄放途径附近是否有敏感电 路


检查泄放途径附近是否存在敏感电路（如复位电路、 控制电路、音视频电路等），特别是泄放途径中存在 孔缝时，孔缝附近的敏感电路极易被静电干扰； 解决方法：用屏蔽材料堵住孔缝；
地
地
设备接地端子是否作金属化 处理

如下图所示，设备接地光通过螺钉的螺纹连接是不可 靠的，应该在落空四周作金属化处理，金属化区的面 积和接地线的垫片大小一致即可，以保证大面积搭接。
– 一类设备：金属结构设备，金属外壳接大 地。包括两中情况：
一种是通过系统接地线接大地；
另一种是通过电源内的PE线接大地。
– 二类设备：金属结构设备，外壳不接大地。 如MP3播放器等。 – 三类设备：塑胶结构设备。
一类设备静电问题处理

解决此类ESD问题原则：快速泄放静电电流； 此类设备的静电试验主要是针对设备的外壳、连接器 外壳、指示灯、复位按钮、拨码开关、电源开关等部 位进行，所以在出现静电问题时应该针对这些地方进 行处理。
因为放电电流具有很高的幅度和很短的上升时间， 这样就会产生强度大，频谱宽的电磁场，对电子 设备造成电磁干扰，或静电产生很高的高压直接 进入到电路中，损坏元器件。
静电放电案例
台式设备测试布局
立式设备测试布局
静电放电发生器原理图
静电放电发生器元器件
150PF的电容容量主要是模拟人体的电容量，为表示人体握有 某个钥匙或工具等金属物时的源电阻可选用一个330欧姆的 电阻模拟，这种金属放电情况足以严格地表示现场的各种人 员的放电。


面板复位按钮是静电非常敏感的电路，可以采用以下两种方法处理。 指示灯、拨码开关电路的处理方式同。 此外，面板复位按钮、拨码开关以及指示灯在面板上的开孔应尽可 能小。
Vcc R
Vcc R
S
R 复位芯片
S
R 复位芯片
GND
PGND
GND
GND
面板显示屏、键盘ESD问题 处理

对于这些部位的静电问题，一般都是因为静电进入了设备内部，干扰 显示和键盘控制电路导致问题产生，最好且最有效的办法是在键盘、 显示屏的表面贴绝缘膜，使静电在这些部位无法放电。对于绝缘膜方 法无法实施的设备，建议在控制线上加磁环进行静电脉冲抑制。对于 有屏蔽金属丝网的显示屏，金属丝网要和结构件良好搭接。
电路和机壳不连时， 二次放电产生的静电电流路径
上页情况的处理方法之一
有条件接地的设 备；外壳接地并 且要保证接地阻 抗小：
无法保证接地阻 抗小的设备，其 在外部接地的线 和机壳相连。
和机壳连接
上页情况的处理方法之二
对于无条件接 地的设备，使 其在外部接地 的线和外壳相 连。
和机壳连接
对于无条件接 地的设备，采 用双绞线的方 式传输信号。

几种主要的耦合路径
辐射耦合， 电容耦合。 电感耦合。 共阻抗耦合。 传导耦合

几种主要的耦合路径

辐射耦合又叫空间耦合，它和辐射发射 对应。也要通过天线来接收辐射。辐射 发射效率高的天线接收效率也高。所以 一般对付辐射发射有效的手段，对辐射 抗扰也有效。
几种主要的耦合路径
电容耦合： 只要两个电路之间存在互容，一个电路 的变化的电压就会通过互容影响第二个电 路。 假设有A、B两个电路，两电路的互容为C。 A电路的电压变化率为dV/dt。B电路阻抗为 RB 则B电路的耦合电流
系统接地线接大地
通过电源PE接大地
外壳放电问题之电流路径确 定

确定静电泄放路径，方法是将设备的外壳平铺开，沿 放电点到设备接地点画直线，一般来说，这条直线就 是静电电流的泄放途径； 放电点
放电点
接地点
接地点
检查此条路径是否“通畅” 之一

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是否存在结构孔缝，导致静电产生的场通过孔缝向设 备内部辐射； 解决方法：采用铜箔、铝箔或导电布将此孔缝“电堵 放电点 住”进行比较试验。
接口信号的ESD防护


在对接口连接器进行放电时，连接器内的插针极易耦合出静电电流； 采取的措施：1、采用TVS管进行静电抑制（TVS管为瞬态抑制二 极管），并使用限流电阻进行限流，如下图所示；2、选用抗静电 能力较强的接口芯片。
连接 器
Ω
U9 75176
TVS管
PGND
面板复位按钮ESD问题处理
金属化区 螺孔
通过电源PE线接地的接地线 长度要求

下图为设备俯视图，箭头为静电电流的流向，可以看 出，如果接地线在设备内部长度过长将会导致静电电 流的辐射，干扰单板正常工作，所以建议PE线最好 接在设备金属壳的外表面，如果在内表面建议长度小 于6cm。
设备内部 接地螺钉
接口连接器静电问题处理

GND PGND
对塑胶连接器的外壳空气放 电

对塑胶外壳空气放电实验时，静电枪会对连接器的插 针放电（因为距离很近），处理方法是：插针所在的 信号线对PGND并TVS管进行静电抑制。
GND
PGND
对其他部位放电
对复位按钮、拨码开关、键盘、显示屏等部 位放电的处理方法同一类设备。
实例1
5000按键板在前面壳放电，造成按键板死 机，而关键是前面壳是绝缘的，现场也没有看 到明显的飞弧等放电迹象。拆机我们发现，在 按键板与前壳之间平行放了一块金属板，而这 块金属板没有接地是悬空的。这个放电的模型 如下图：