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ESD防护方法及设计要点

(1)摩擦、剥离、起电;-哪里有运动,哪里就有静电!

(2)感应起电;

感应起电是物体在静电场作用下在电荷上重新分布的现象。例如,在设备加电过程中,会产生一定的电磁场,外围物体会感应到部分电荷,如显示屏带电。而且容性起电比较复杂,因为已经有一定电荷的带电体靠近并与另一个物体分离。根据平行板电容公式c= εS/4πkd(S金属片的正对面积,d为两金属片间的距离)。系统电容由系统电容改变Q=CV(C为电容,V对于电压),携带一定电量的物体或人体上的静电电位会发生变化,从而导致集成块等微电子设备的损坏。

采用静电感应原理,使导体充电。A球原不带电,带电的B球转移A球电荷,接地后c、e、f等待A球带电荷的过程,称为感应起电。

(3)电容变化

lV=Q/C;lC=εA/d

干燥环境更容易产生静电:

人体对静电的感知:

在3kV你可以通过皮肤感知;

在5kV当,你能听到;

在10kV当时,你可以看到;

静电放电的特点:

高电位:几百到几千伏,甚至几万到几十万伏;(人体对3kV以下静电不易感觉)

低功率:静电多为微安级(尖端瞬时放电除外)

放电时间短:一般为微妙级;一个ESD瞬态感应电流小于1ns峰值可以在时间内达到(根据IEC 61000-4-2标准)

受环境影响:特别是湿度;湿度升高,静电积累减少,静电压降低;

ESD失效:模拟人体带8kV静电放电,放电3次;放大3000倍;

硬损伤和软损伤

人体静电会破坏任何常用的半导体器件。(实验室发现有人裸手拿着板,就发了一块坏板让他修理。

静电不能消除,只能控制

控制ESD的方法:

做好机构静电保护,用绝缘材料保护PCB板密封在外壳内,无论有多少静电,都不能释放到PCB上。

有了ESD,静电快速导到PCB板的主GND能消除一定能力的静电。

外壳及装饰件:金属及导电镀材料等,属于易吸引和聚集静电的材料;ESD尽量避免使用这些材料;

2、必须使用导体材料:结构应预留有效均匀的接地点;一般来说,顶针或金属弹片的接地效果优于导电泡沫和导电布。

3.电镀侧键等不能接地处理的,需要专注于主板;包括(1)增加压敏电阻TVS或电容器等设备;

(2)预留GND管脚;

(3)板边露铜吸引静电放电;

4.外壳上的金属件必须大于2.2mm以上距离;

5.堆放时,避免设备暴露在孔隙和缝合边缘;如果不可避免,在装配上找到堵塞的方法;常见的做法是粘贴高温胶带或防静电胶带;所有结构设计都需要留出增加隔离板的空间;

1、增大PCB增加板材面积GND面积,增强其中和静电的能力;成本或差异化的堆叠使我们变小

2.真正的小板必须至少有一层完整的GND层;并能与电池地脚保持良好的连接;由于成本原因,我们往往无法留下完整的地层。

3.由于电路板中和电荷能力有限,应多考虑从整机堵塞,少考虑导向;

4、器件选择上,要选用高耐ESD设备;静电保护设备在选择时需要考虑其容性,以避免其保护信号线信号本身的失效;

5.放置设备时,容易被放置ESD尽量将受影响的设备盖在屏蔽罩内;

6.屏蔽罩必须保证接地有效均匀分布!盲孔应与埋孔直接连接到主地面;应均匀地分布在周围;

7、对IO必须增加静电保护装置,如口和键盘;

8.设备摆放必须遵循就近释放的原则,ESD保护装置应靠近IO和侧键放置;其次跨中路;避免靠近芯片;这可以减少ESD脉冲信号进入附近线路的瞬态耦合;虽然没有直接连接,但这种二次辐射效应也会扰乱其他部分的工作;

9、Layout布线必须遵循有效保护的原则;布线应从接口到接口TVS然后就可以去了CPU等待芯片;远处挂在信号线上的静电保护装置,由于引线寄生电感过大,会导致保护失效,使保护无效;

10、TVS接地脚与主地的连接必须尽可能短,以减少接地平面的寄生电感;

11、TVS设备应尽可能靠近连接器,以减少进入附近线路的瞬态耦合。虽然连接器的直接通道尚未到达,但这种二次辐射效应也会导致电路板其他部件的工作紊乱。

12.避免在板边走重要信号线;如时钟和复位信号;

13.主板上未使用的地方应尽可能铺设;并连接到主地;多铺减小了信号与地面的间距,相当于减小了信号的回路面积;(面积越大,场流越大,感应电流越大)

14、需要注意ESD对地层的直接放电可能会损坏敏感电路。在使用中TVS一个或多个高频旁路电容器放置在易损部件的电源和地面之间。旁路电容器减少了电荷注入,保持了电源与接地端口之间的电压差。

15、电源走在主板中间比在板边好;地布局在板中间比板边好;

TVS它是一种新型的高效电路保护装置,响应时间快(亚纳秒级),浪涌吸收能力高。当两端受到瞬时高能冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此,TVS可用于保护设备或电路免受静电和电感负载开关产生的瞬变电压,以及感应雷引起的过电压。图中所示为TVS符号和伏安特性曲线。

对于USB界面的应用目前广泛应用于视频和数据处理设备。USB电路通常采用保护电路设计,如下图所示USB该电路首先误用的是口的保护电路TVS管。

RS485作为行业内最常用的串行差分通信方式之一,采用平衡发送和差分接收的方式,具有抑制共模干扰的能力,因为通信距离长(1200m传输速率高(10)Mbps),信噪比高,控制方便,成本低,可在单独的总线上实现多节点和多种收发器,用户越来越肯定。

但随着使用频率的增加,问题也在增加。由于RS485通信传输线通常暴露在室外,雷电和静电干扰在日常生活中已经成为RS在实际工程中,485通信总线经常遇到问题,RS485收发器工作电压低,只有5V,部件本身的耐压性也很低,通常只有-7V~+12V,因此,雷电等引入的过电压通常会立即损坏RS485收发器对通信系统造成严重损坏;此外,静电电磁干扰也严重影响通信总线的数据传输质量。

气体放电管GDT:直流击穿电压大于线路中的正常工作电压,放电管允许超过或等于设计的最大电流。

二极管瞬态抑制TVS:在通用信号传输线上TVS的击穿电压VBR在此前提下,应高于信号线上传输的信号电压, VBR应尽量选择较低、较低的VBR后端通信芯片可靠保护,通流容量大。

GDT首先考虑其耐压性和耐流性。TVS根据芯片的工作电压和耐压性,一般略高于芯片的最高工作电压。

通过高耐压陶瓷电容器设计吸收电路保护以太网和室内标准。

室外以太网防护方案的设计理念: 以太网防护方案的设计需要考虑陶瓷放电管一级防护后的雷击浪涌和残压,因此一般采用GDT共模在变压器前端进行 (八线)浪涌保护;结电容低,反应时间快,兼顾静电保护功能TVS管道吸收差模能量。 百兆以太网防护方案(一) 防护电路图:

陶瓷气体放电管: 直标称电压200±30%V,冲击电流(8/20μs)0.5KA,电容值<0.5pF,电阻>100MΩ。  直流标称电压90±20%V,冲击电流(8/20μs)2.0KA,电容值<1.0pF,电阻>1GΩ。  瞬态抑制二极管TVS管: TVS【SLUV2.8-4】 Vrwm:2.8V,Vb:3.0V,防静电能力(接触/空气):8KV/15KV,结电容(f=1MHz):2.0pF,封装:SO-08。  百兆以太网防护方案(二)

 陶瓷气体放电管: GDT 直流标称电压200±30%V,冲击电流(8/20μs)0.5KA,电容值<0.5pF,电阻>100MΩ。 GDT直流标称电压90±20%V,冲击电流(8/20μs)2.0KA,电容值<1.0pF,电阻>1GΩ。 瞬态抑制二极管TVS管: TVSVrwm:3.0V,Vb:4.0V,防静电能力(接触/空气):8KV/15KV,结电容(f=1MHz):1.2pF,封装:SOD-323。 千兆以太网防护方案(一)

陶瓷气体放电管: GDT直流标称电压200±30%V,冲击电流(8/20μs)0.5KA,电容值<0.5pF,电阻>100MΩ  GDT直流标称电压90±20%V,冲击电流(8/20μs)2.0KA,电容值<1.0pF,电阻>1GΩ。 瞬态抑制二极管: TVS   Vrwm:2.V,Vb:3.0V,防静电能力(接触/空气):30KV/30KV,结电容(f=1MHz):3.0pF,封装:SOP-08,超低漏电流  千兆以太网防护方案(二)

陶瓷气体放电管: GDT  直流标称电压200±30%V,冲击电流(8/20μs)0.5KA,电容值<0.5pF,电阻>100MΩ  GDT 直流标称电压90±20%V,冲击电流(8/20μs)2.0KA,电容值<1.0pF,电阻>1GΩ。 瞬态抑制二极管: TVS  Vrwm:3.0V,Vb:4.0V,防静电能力(接触/空气):8KV/15KV,结电容(f=1MHz):1.2pF,封装:SOD-323。

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