控制系统的静电放电抗扰度试验及其防护措施

控制系统的静电放电抗扰度试验及其防护措施摘要:本文综合分析了当前静电放电(ESD)抗扰度的研究现状,对国际电工委员会标准IEC 61000-4-2:2001推荐的静电放电抗扰度测试方法进行了探讨,从静电产生的原理上进行分析,选择和设计防护措施,为提高控制系统抗静电干扰能力的提供了理论依据

关键词:(ESD)静电放电静电干扰防护措施

从20世纪90年代开始,国内外许多标准均将静电放电作为重要的电磁环境因素之一,和雷击浪涌等按电磁兼容(EMC)研究内容统一考虑。其原因就是因为大规模集成电路的绝缘层越来越薄,其互连导线的宽度和间距也越来越小,抗过电压能力越来越差。

1 静电的产生及试验原理

产生静电的原因大致有接触起电和静电感应两种。

我们知道,物质都是由分子构成,分子是由原子构成,原子中有带负电荷的电子和带正电荷的质子构成。在正常状况下,一个原子的质子数与电子数量相同,正负平衡,所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围,一经外力即脱离轨道,离开原来的原子而侵入其他的原子B,A原子因缺少电子数而带有正电现象,称为阳离子,B原子因增加电子数而呈带负电现象,称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道,这个外力包含各种能量(如动能、

位能、热能、化学能等)在日常生活中,任何两个不同材质的物体接触后再分离,即可产生静电。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电,而另一个体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和,电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电,在日常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。这是因为气体也是由分子、原子组成,当空气流动时分子、原子也会发生“接触分离”而起电。我们都知道摩擦起电而很少听说接触起电。实质上摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活,各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。另一种常见的起电是感应起电。当带电物体接近不带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负电和正电。

任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电的人体皮肤层上,所以人体是最主要的静电放电源头。因此,我们在研究控制系统的静电防护时,首先要涉及到人体的静电模型。通常,我们总认为只有在两个平板之间才会有电容,实际上所有的物体都有自己的自由空间电容,无非第二个平板(指地球)无限大而已。人体的电容和电阻如图1所示。一个人体在自由空间中的电容约为50pF。除此以外,人体电容还包括脚底与地面之间的电容(约100pF)。如果人体接近墙壁等

周围的某些物体,还会增加50～100pF的电容。所以人体电容等于人体自由空间电容与平板电容之和,大小在50～250pF之间变化。人体电容也可用下列公式表示。

C=0.55H+0.008KA/t(pF)

式中:H为人体高度(cm);K为鞋底材料的介电常数;A为两只鞋底的总面积(cm2);t为鞋底厚度(cm)。

人体电阻是非线性的,其值约在500～1000Ω之间,它和人体产生放电的位置有关。若手指尖放电,人体电阻约为10kΩ;若手掌有放电,人体电阻约为1000Ω;若在手持的金属物体上放电,人体电阻约为500Ω;若放电发生在较大的金属物体上,人体电阻可以减小为50Ω。

图2是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中,并通过一个等效的人体电阻产生放电。(该静电模型没有考虑人体电感的大小,但是电感对确定放电电流的上升沿时间有决定性的影响,应当将它计算进来。设法减小该电感的大小是设计ESD测试仪器的主要难题之一,该电感的大小应小于0.1μH)。图2的电路可以模拟人体的静电放电,被IEC标准和许多制造商用于静电测试。

静电放电抗扰度的试验方式有接触放电和空气放电两种,由于空

气放电方式涉及到外部火花通道的形成过程,温度、湿度以及静电枪接近被测物体的速度变化都会引起放电过程的显著变化,测试的数据可靠性及重复性差,所以应优先采用接触放电的方式。IEC标准《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验(IEC61000-4-2:2001)》将静电放电抗扰度的试验等级规定为如表1所示的几个等级。

静电放电的上升沿时间和其能量是决定放电严酷度的两个主要参数。上升沿时间可以用人体电容和人体电阻的乘积RC(即时间常数)为特征,而能量的大小可按下式计算。

W=0.5CU2(J)

式中:C为人体对地电容(F);U为人体静电电压(V)。

上升沿时间的特征值RC愈小或放电的能量愈大,表明静电放电的严酷程度愈高。静电放电的电流波形见图3。

2 人机界面面板材质的选择

既然人体是主要的静电携带体,如果带电的人体通过接触使控制系统人机界面的面板携带电荷,那么面板上的放电应该通过面板表面缓慢进行,以限制电流,防止损坏。表示这一特性有一个重要参数——

衰减时间τ,它可表示为:

τ=ερ

式中:ε为材料的介电常数;ρ为材料的表面电阻率(Ω/m2)。

其中ρ的变化范围要远远大于ε的变化范围(ε值一般为2～11,相差仅5倍,而ρ的大小要相差1010倍)所以对衰减时间τ起主要作用的是材料的表面电阻率ρ。

一般认为,人机界面面板材质的表面电阻率不宜超过1011Ω/m2。目前,最常用的面板材质有聚碳酸酯(PC)和尼龙(PA)等。面板材质的选择,还必须考虑机械加工性能和化学稳定性。如表面电阻率不满足要求时,可以采取如下措施:(1)在原材料中加防静电添加剂。(2)因为静电是仅发生在材料表面上的现象,所以可在面板表面涂层(包括在金属面板上覆盖一层涂层),使表面电阻率符合要求。

3 防护措施

为防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏,在常见的防护方法中,有几种和静电放电电流的泄放路径相关。

3.1 金属火花吸收器

在设计面板时应尽量让静电放电电流直接到地,而不会流过敏感