靜電放電對(duì)電子設(shè)備的影響

靜電放電對(duì)電子設(shè)備的影響我們以人體走過(guò)地毯然后接觸鍵盤(pán)為例建立了靜電放電事件的模型。下面仍用這個(gè)例子來(lái)討論靜電放電的影響，但得出的結(jié)論具有一般性。雖然我們使用的例子很簡(jiǎn)單，但是實(shí)際的大多數(shù)系統(tǒng)要復(fù)雜得多。一定要記住，解決靜電放電問(wèn)題要從系統(tǒng)的角度考慮問(wèn)題。上一章中建立的靜電放電模型是將鍵盤(pán)看成一個(gè)單獨(dú)的模塊，具有集中的電容、電感和電阻。實(shí)際上，這個(gè)模塊往往是一個(gè)殼體，殼體內(nèi)有鍵盤(pán)的開(kāi)關(guān)和電子線路。如果沒(méi)有其它的放電路徑或屏蔽，從人體產(chǎn)生的靜電場(chǎng)和放電電流會(huì)直接影響鍵盤(pán)系統(tǒng)內(nèi)的電子器件。靜電場(chǎng)的強(qiáng)度取決于充電物體上的電荷數(shù)量，和與其它電荷量不同的物體之間的距離。人體上的電壓通常會(huì)達(dá)到8~10kV。有時(shí)電壓會(huì)更高，達(dá)到12?15kV。許多文獻(xiàn)上稱，人體的電壓可以達(dá)到30kV。但這是假設(shè)身體的最小輝光放電放電半徑為1厘米。實(shí)際上，人體上許多部位的半徑小于1厘米，因此在通常條件下是不會(huì)出現(xiàn)這種電壓的。人體上的最高電壓應(yīng)該是20kV。（衣服、頭發(fā)或鞋上會(huì)有更多的電荷，因?yàn)檫@些物質(zhì)導(dǎo)電性較差，因此受電暈的影響較小）在本例中，當(dāng)人的手指接近鍵盤(pán)時(shí)，手指上的靜電場(chǎng)會(huì)引起介電物質(zhì)的極化和鍵盤(pán)內(nèi)電荷的重新分布。導(dǎo)體內(nèi)的電荷重新分布會(huì)加劇介電物質(zhì)的機(jī)化，甚至強(qiáng)度會(huì)達(dá)到將介質(zhì)擊穿的程度。這種現(xiàn)象在集成電路中尤為普遍，因?yàn)榧呻娐分械慕橘|(zhì)層很薄。雖然靜電場(chǎng)本身會(huì)造成問(wèn)題，但放電的后果更嚴(yán)重，因?yàn)檫@有直接注入電荷的效應(yīng)。這時(shí)，原來(lái)存在于人體與設(shè)備之間的能量會(huì)轉(zhuǎn)移到IC這類內(nèi)部器件之間。在這些強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，芯片會(huì)被擊穿而損壞。擊穿發(fā)生后，伴隨著電荷的重新分布，會(huì)有較大的電流，這個(gè)電流會(huì)燒毀鍵盤(pán)內(nèi)的電子器件。解決電荷注入問(wèn)題的一個(gè)方法是在人體和電子器件之間放置一塊絕緣屏障。只要這個(gè)屏障不被擊穿，就不會(huì)發(fā)生放電。另一個(gè)方法是在人體與器件之間放置一塊金屬擋板。當(dāng)然，這個(gè)金屬擋板與器件之間必須有良好的絕緣，使它與器件之間不會(huì)發(fā)生放電。這時(shí)，靜電放電事件是向金屬板注入電荷，而不是器件。無(wú)論使用哪種屏障，靜電場(chǎng)的問(wèn)題都不能解決。使用金屬擋板時(shí)的不同點(diǎn)是，當(dāng)放電發(fā)生后，電場(chǎng)是在擋板和器件之間，而不是在人體和器件之間。要徹底解決靜電場(chǎng)的問(wèn)題和電荷注入問(wèn)題，必須將系統(tǒng)（包括電纜）完全包圍起來(lái)，或者將金屬擋板接地。當(dāng)金屬板與大地連接后，金屬板上的電荷會(huì)泄放掉，從而消除靜電場(chǎng)。將系統(tǒng)完全包圍起來(lái)的金屬殼體可以保證沒(méi)有任何電場(chǎng)到達(dá)系統(tǒng)，即使殼體的外表面充滿了電荷也沒(méi)有關(guān)系。（這相當(dāng)于系統(tǒng)中所有的設(shè)備都有金屬外客，電纜也是屏蔽的場(chǎng)合）金屬擋板的方法常被用來(lái)保護(hù)設(shè)備，一旦安裝好并接地后，其效果是很好的。電流注入和電場(chǎng)的問(wèn)題不僅會(huì)造成設(shè)備立即損壞，還會(huì)造成潛在的損壞，使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題。不幸的是，人們對(duì)低于數(shù)千伏的電場(chǎng)或放電是毫無(wú)察覺(jué)的，因此當(dāng)他對(duì)設(shè)備造成損壞時(shí)，甚至他還不知道。這個(gè)問(wèn)題在第8章進(jìn)一步討論。再回到前面的例子，假設(shè)鍵盤(pán)在制造和運(yùn)輸過(guò)程中是有良好保護(hù)的。并假設(shè)鍵盤(pán)在一塊金屬板的下面，金屬板與電路絕緣，并接地。當(dāng)放電發(fā)生時(shí)，電流流過(guò)這個(gè)金屬板和地線。這個(gè)電流分為兩組，第一組，電荷重新分布電流使板上的電荷與手指和手臂上的電荷均等。在這種場(chǎng)合，金屬板是電荷源。第二組，接地線上的電流會(huì)使人體上的電荷與大地的電荷均等。這種場(chǎng)合，金屬板不再是主要的電荷源，而僅是電流的一個(gè)路徑。在前面的靜電放電模型中，放電脈沖中的高頻成分主要是由手、臂和鍵盤(pán)的電容產(chǎn)生的放電電流引起的。這些高頻電流是金屬板內(nèi)的電荷再分布電流。另外，在這個(gè)模型中，由人體對(duì)地電容形成的放電電流主要導(dǎo)致低頻成分，并攜帶了大部分放電能量。這些低頻電流是地通路電流。金屬板上的高頻再分布電流的物理路徑取決于人體和金屬板的位置，并呈現(xiàn)輻射狀，如圖10所示圖10靜電放電的輻射狀電流人體上的低頻放電電流的路徑是選擇一條電阻最小的路徑直接到地，如圖11所示。當(dāng)然這個(gè)描述是近似的，實(shí)際情況要更復(fù)雜一些。/77圖11流向地的靜電放電電流/77圖11流向地的靜電放電電流在了解放電電流的路徑和頻率的基礎(chǔ)上，可以分析它們對(duì)電子系統(tǒng)性能的影響。在本例中，低頻電流被旁路到地，因此鍵盤(pán)和系統(tǒng)的其它部分可以免受這種高能電流的損害。對(duì)于設(shè)計(jì)而言，防止電荷注入和損壞是最基本的要求。但是，這些電流（特別是高頻電流）產(chǎn)生的場(chǎng)仍然會(huì)有嚴(yán)重的影響。當(dāng)放電電流在系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)電流路徑上的許多天線產(chǎn)生激勵(lì)。這些天線的輻射效率主要取決于天線的尺寸。靜電放電產(chǎn)生的頻率的波長(zhǎng)可以在數(shù)厘米至數(shù)百米的范圍內(nèi)。由于四分之一波長(zhǎng)天線是效率最高的（即使1/16波長(zhǎng)的天線，其輻射也是十分可觀的），因此1.5cm?150m長(zhǎng)的導(dǎo)線都可以是高效的天線。下面還以鍵盤(pán)為例，看一下電子系統(tǒng)中的天線是怎樣形成的。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，在鍵盤(pán)的上面有一塊金屬板，但是鍵盤(pán)上按鍵需要較大的開(kāi)孔（現(xiàn)實(shí)世界中的殼體很少是完全的屏蔽體，因?yàn)榭倳?huì)有各種各樣的開(kāi)口，即使沒(méi)有開(kāi)口，不同部分結(jié)合處的縫隙也總是存在的）。并且，通常電纜是與金屬板聯(lián)在一起的，電纜往往呈螺旋狀，如圖12所示。金屬板與連到大地的電纜共同構(gòu)成了一個(gè)環(huán)天線、縫隙天線和直線天線的組合（更復(fù)雜的系統(tǒng)會(huì)包含更多的天線）。圖12鍵盤(pán)上的靜電放電電流圖13是電纜的情況

為了簡(jiǎn)化分析，我們分別考慮各個(gè)環(huán)節(jié)。圖13是電纜的情況。電纜相當(dāng)于一根直天線，場(chǎng)的方向如圖所示。場(chǎng)的具體方向取決于人體所帶電荷的極性。由于人體所帶電荷的極性通常是未知的，因此在后面的圖中將方向省略。圖14給出了電纜上螺旋部分產(chǎn)生的場(chǎng)的方向。這是一個(gè)典型的環(huán)天線。另外，當(dāng)拉伸螺旋電纜時(shí)，這個(gè)環(huán)天線會(huì)在不同的頻率上諧振。圖14靜電放電電流在電纜螺旋部分產(chǎn)生的場(chǎng)根據(jù)尺寸不同，金屬板上的開(kāi)口可以看成縫隙天線，或?qū)㈤_(kāi)口之間的導(dǎo)體看成獨(dú)立的天線，它所產(chǎn)生的場(chǎng)與直電纜相似（圖15）。圖15靜電放電電流在金屬板上產(chǎn)生的場(chǎng)上面各圖都表明靜電放電產(chǎn)生的場(chǎng)既有電場(chǎng)（E）也有磁場(chǎng)（H）。但是在近場(chǎng)區(qū)（距離天線1/6波長(zhǎng)以內(nèi)），電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)弱是不可預(yù)測(cè)的。對(duì)于1GHz，1/6波長(zhǎng)為5厘米。這意味著，對(duì)于大多數(shù)靜電放電頻率而言，鍵盤(pán)內(nèi)的大部分電子器件處于近場(chǎng)，大多數(shù)電子系統(tǒng)也是這種情況。場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度取決于許多因素，例如天線增益，但是通常，高阻抗天線更易輻射電場(chǎng)，低阻抗天線更易輻射磁場(chǎng)（這是很自然的，因?yàn)殡妶?chǎng)是由電壓產(chǎn)生的，磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的）。通常高阻抗和低阻抗的天線都是同時(shí)存在的，因此兩種場(chǎng)也都存在。由金屬板和電纜發(fā)射的場(chǎng)回被系統(tǒng)內(nèi)的電子電路所接收。當(dāng)靜電放電電流產(chǎn)生的磁力線從天線輻射出來(lái)后，會(huì)穿過(guò)電路中的導(dǎo)體。這個(gè)強(qiáng)度變化的磁力線在系統(tǒng)中的導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電流。同樣，輻射電場(chǎng)也會(huì)在系統(tǒng)電路上感應(yīng)出電壓。就象高阻抗天線更易輻射電場(chǎng)一樣，高阻抗天線也更易接收電場(chǎng)。同樣，低阻抗天線更易接收磁場(chǎng)。這意味著，無(wú)論系統(tǒng)電路的阻抗是高還是低，總會(huì)接收一種場(chǎng)。磁場(chǎng)會(huì)在低阻抗回路中感應(yīng)出電流，電場(chǎng)會(huì)在高阻抗線上感應(yīng)出電壓。盡管每個(gè)電路都不同，但有一些典型的阻抗組合。電壓和地電路通常是低阻抗的，輸出電路既可以高阻抗也可以低阻抗。這意味著，電源和地電路對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)的電流敏感，必須采取措施。另一方面，輸入電路往往對(duì)電場(chǎng)更敏感，必須對(duì)感應(yīng)電壓采取措施。而在輸出電路中，電壓和電流的效應(yīng)都要考慮。在分析靜電放電的影響時(shí)，還要記住，場(chǎng)不僅對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電路會(huì)產(chǎn)生直接的影響，而且還會(huì)產(chǎn)生間接的影響。這是通過(guò)場(chǎng)在導(dǎo)體上感應(yīng)出電流或電壓，然后導(dǎo)體將電流或電壓傳導(dǎo)到場(chǎng)本身達(dá)不到的地方產(chǎn)生的。一個(gè)典型的例子是場(chǎng)在電纜屏蔽層上感應(yīng)出電流。如果電纜屏蔽層沒(méi)有良好端接，感應(yīng)電流會(huì)穿進(jìn)本來(lái)屏蔽良好的機(jī)箱。這時(shí)，盡管原始的場(chǎng)不能穿透機(jī)箱，但通過(guò)電纜上的感應(yīng)電流，場(chǎng)還是會(huì)對(duì)機(jī)箱內(nèi)的電路造成影響。另一個(gè)需要注意的問(wèn)題是共模噪聲會(huì)轉(zhuǎn)化為差模噪聲。這一點(diǎn)很重要。因?yàn)槿绻材Ｔ肼曉谡麄€(gè)系統(tǒng)中都保持共模形態(tài)，則對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際影響很小。不幸的是，由于幅度、相位和頻率成分的變化不同，原始的共模噪聲總是會(huì)在系統(tǒng)的某一點(diǎn)變?yōu)椴钅Ｔ肼?。例如，如果電纜中每一條線端接方式不是完全相同，電纜上的共模