基于EMC靜電放電的整改方案與設計

孫浩

摘 要：文章闡述了靜電放電的原理和危害，以及原因分析和基本對策。通過具體的整改方案和典型電路，掌握了靜電放電抗擾度的整改和設計。

關鍵詞：靜電放電；ESD整改方案及實例；防靜電設計

1 靜電放電原理及其危害

靜電放電是一種自然現象，當兩種不同介電強度的材料相互摩擦時，就會產生靜電電荷，當其中一種材料上的靜電荷積累到一定程度，在與另外一個物體接觸時，就會通過這個物體到大地的阻抗而進行放電。靜電放電對電子設備（產品）就是一種主要的干擾源。

靜電放電對產品兩種危害：（1）當人體接觸到半導體的時候，通過靜電放電，可以導致數層半導體材料擊穿，導致損壞設備（產品）、癱瘓系統等，造成不可挽回的損失。（2）靜電放電形成的騷擾電流和電磁波會被產品吸收，造成產品的誤操作、誤顯示。

2 靜電放電的危害分析及防護措施

2.1 靜電放電對產品危害分析

靜電放電對產品的非破壞性影響，是由于靜電放電形成的騷擾電流或電磁波被PCB板上的線路和元器件吸收，從而轉換成為對產品的電子系統造成傳導干擾和輻射干擾。常見的現象有：死機、復位、數據丟失、顯示異常（藍屏、花屏、數碼管亂顯示）、產品失效等。

靜電放電對產品的破壞性影響，是由于靜電放電的熱效應和強電磁效應造成的。靜電放電的熱效應是因為靜電電流大、電壓高、放電時間短，形成破壞性熱擊穿，導致電路損壞。靜電放電的強電場效應是因為MOS器件的柵極氧化膜厚度為1*10-7m量級，100V的靜電電壓在柵極氧化膜上可以產生1*106kV/m的強場，而MOS管的氧化膜的擊穿強度僅為0.8*106-1*106kV/m。因此靜電電壓容易導致MOS場效應管的柵極氧化膜被擊穿，使MOS管器件失效。

2.2 常用靜電放電的防護措施

2.2.1 靜電放電經常容易出現問題的部位

靜電放電容易產生的部位：接口連接處、面板按鈕處和結構縫隙。

2.2.2 接口連接處的靜電放電處理措施

（1）保證連接器的金屬外殼和設備的金屬外殼良好接觸，使靜電電流直接從設備外殼泄放到大地上。使用材料：導電膠布、彈簧等。（2）設計時盡量避免復位電路（線）、片選信號、控制信號等敏感線路靠近接口連接器。（3）還可以采用抗靜電較強的接口芯片，或者采用TVS管對地進行靜電抑制，或者在信號線上串接電阻。

2.2.3 面板按鍵的靜電放電處理措施

（1）指示燈、按鍵等在面板上的開孔盡量小。（2）指示燈和按鍵的PCB板盡量遠離面板。（3）在面板上增加一層高絕緣材料來隔離。（4）用TVS管或者電容對按鍵電路進行處理。（5）改變面板信號線的走線方式。（6）對信號線加磁環處理。

2.2.4 縫隙處的靜電放電處理措施

（1）對在縫隙處可以看到PCB裸露的金屬部分貼絕緣膜。（2）改變縫隙結構，設計成倒掛槽結構。（3）在縫隙中增加絕緣材料，使靜電無法通過。（4）將縫隙用銅箔貼住，用盡量短的導線連接到大地。

3 案例分析

案例一：4.3寸液晶顯示器的ESD整改現象：對4.3寸液晶顯示器的液晶屏與面殼邊框縫隙打8kV的空氣靜電放電，液晶屏顯示畫面異常：有時出現復位，有時圖像發白。

原因分析：檢查發現塑料面殼與4.3寸液晶屏的金屬邊框縫隙太大，施加8kV的空氣靜電放電，放電電流會流經液晶屏的金屬殼，由于金屬外殼是孤立的，沒有接地，靜電電流會繼續對液晶屏內部電路和PCB放電。于是出現液晶屏畫面異常。

整改方案：屏蔽和接地法。圖1是4.3寸液晶屏PCB的安裝示意圖，用鐵線將PCB的地網與4.3寸液晶屏的金屬殼連起來，這樣把靜電放電的能量直接流入PCB的地。驗證：再對4.3寸顯示器的塑料面殼內邊框與液晶屏的金屬邊框縫隙施加8kV的空氣放電，液晶屏圖像未出現異常，整改OK。

案例二：LED臺燈觸摸按鍵的ESD整改

現象：圖2是調光LED臺燈的金屬觸摸按鍵，由于金屬觸摸按鍵裸露在外殼的外面，優先選擇4kV的接觸放電。測試結果：靜電放電過程中臺燈燈光亮度明暗變化，LED指示燈壞，ESD測試Fail。

圖2 臺燈觸摸按鍵的ESD靜電放電抗擾度整改

原因分析：由于金屬觸摸按鍵開關是一個壓電感應開關，如果直接打4kV靜電接觸放電，肯定影響或者損壞與觸摸金屬按鍵相連的元器件，同時LED指示燈離觸摸按鍵金屬部分太近，而且存在縫隙，LED燈珠會因靜電放電而被擊穿損壞。

整改方案：加絕緣片，介質隔離。用一個0.5mm厚的透明PVC片貼在觸摸開關金屬面上，經絕緣片隔離后，按標準選擇8kV的空氣靜電放電測試。測試結果，臺燈亮度無明暗變化，整改Ok，但LED指示燈仍然燒壞，估計是通過按鍵間的縫隙靜電放電引起。在LED指示燈兩端加一個104pF的瓷片電容。重復8kV的空氣靜電放電測試，LED 指示燈正常，整改Ok。

4 靜電放電之抗干擾電路設計（電磁輻射引起的）

4.1 芯片的電源濾波電路設計

總線驅動、接收芯片的電源必須要有良好的濾波電路。如CPU、Flash、SDRAM等。尤其是MCU，必須采用儲能電容和高頻電容配合濾波。

4.2 時鐘信號的抗干擾設計

時鐘輸出端通過接RC電路，延緩輸出脈沖的上升沿，從而減少時鐘的高頻諧波分量在頻帶上的寬度和防止產生振鈴現象。圖3是TW9910解碼芯片的時鐘處理電路。R選取范圍是20歐-100歐。

圖3 TW9910解碼芯片的時鐘信號抗干擾設計

4.3 復位電路的抗干擾設計

對復位電路的脈沖干擾抑制，可以采用TVS管（雙向瞬態抑制二極管，結電容要小，最好在1000pF以下）；也可以用高頻濾波電容，典型值是560pF，也可以用102代替，有時用103、104高頻電容。對于手動的復位電路，還可以在電路中增加一個小阻值的限流電阻。復位電路設計見圖4。

4.4 LED指示燈電路的抗干擾設計

對于LED指示燈的防靜電設計，可以用高頻濾波電容或者雙向TVS管來搭建靜電泄放回路。電容的值為101-104pF。電路設計見圖5。

5 結束語

設計產品時，為了防止靜電放電的發生，首先考慮要有足夠的距離和絕緣強度。如果無法避免靜電放電，再通過屏蔽和接地的方式，給靜電電流提供一個阻抗足夠小的泄放途徑。其次，靜電放電產生的電磁輻射會對PCB的銅皮走線和元器件產生電磁場干擾影響，所以PCB設計盡量防止大的電流環路，防止感應磁場；對于高阻抗布線，走線要盡量短，防止感應電場。對于PCB走線較長的電源線、信號線、復位線、時鐘、片選、控制線、數據線等，在必要時，必須做抗干擾處理。

參考文獻

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