杜佐兵
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产品可靠性设计-静电放电ESD的测试与整改-1

ESD静电放电测试通常根据IEC 61000-4-2进行的。

这个测试是确定外部的静电放电或由ESD产生的感应场、二次放电,是否会对产品产生影响。可能的放电部位包括任何可接触的控制件、电缆连接器或其他可接触的金属件。

放电电压为±4KV、±8KV或±16KV,具体数值取决于产品的使用环境或实际使用。

对于这种测试,几类性能判据可能是可接受的。性能判据的分类参考ESD标准IEC 61000-4-2,但受试产品的数据丢失、系统的重新启动或损坏通常认为是测试不合格。在通常的测试中,ESD施加在EUT的不同点上,同时观察其性能是否发生变化。

仅有导体会发生ESD,而对绝缘体或抗静电材料则不会。

如果存在裸露的金属,那么对此金属进行放电就会产生ESD。

如果不能阻止ESD电流瞬态,那么就必须控制放电电流的路径。

如果能搞清楚放电电流的路径并对其进行改变,是一种更实际的解决办法。如果已知ESD电流的注入点,那么确定电流离开产品的最可能的点将是很有帮助的。由于涉及高频高达1GHz,放电电流的一些路径可能是通过电容而不是沿着导线。

在进行ESD电流的可能路径时,我们可以认为通过高频时-电容是短路的,导线是开路的,这样可以对电路的电流路径进行简化分析。

对应的产品的简化的等效模型如下:

常见的ESD脉冲进入信号连接器的接地外壳示意图

如图所示,常见的ESD进入点为I/O及信号连接器的外壳,比如USB、以太网或串口。除非这些连接器的外壳与产品的屏蔽壳体进行了很好的搭接,否则ESD电流将直接进入到PCB上,从而使电路受到干扰或损坏。

对于一些低成本的产品,由于没有使用成本较高的屏蔽壳体,因此也会产生问题。在这种情况下,一个好的办法是增加金属转移平面,这就将电流转移到电源的安全地回路或通过对地电容泄放到大地,再让电流路径返回其源端。

关键点一:ESD静电放电的故障原因分析

在大多数情况下,各项试验的检测和诊断方式大同小异比如辐射发射。

对于高频特性的ESD,这是因为从产品向外辐射的天线振子,比如电缆和外壳缝隙也能作为接收天线,将ESD产生的场传入产品,潜在地引起干扰,甚至使系统重启。

此外,如果I/O连接器没有与金属壳体进行好的搭接,由于电流尽力返回到产生它的源端。因此ESD电流能直接进入EUT,从而使电路受到干扰或损坏:

1.I/O连接器外壳和产品壳体之间的高阻抗搭接。

2.电缆屏蔽层和外壳或屏蔽壳体的搭接不好。

3.屏蔽面板与外壳或壳体之间的搭接不好。

4.显示屏LED/LCD存在大的缝隙。

5.I/O电缆或电源线电缆上的滤波不充分或瞬态保护器件使用不当。

6.关键电路处射频旁路不足,比如CPU的复位信号线。

因此,可以建立如下的等效电路工作模型:

注意点:ESD能量从产品外壳泄放的过程中会形成静电场干扰,既有传导的路径还有辐射的路径;也因此会出现产品的失效情况。

关键点二:常见的失效模式

ESD静电放电通常产生的问题如下:

1.系统重启

2.模拟或数字电路出现故障

3.显示屏上出现错误的数据及显示屏显示异常

4.数据丢失

5.数据传输停止、变慢或中断

6.高误码率

7.产品的状态发生改变

8.电路受到故障

注意:当静电放电ESD干扰信号通过耦合方式到达电路板内部的时候,如下图所示:

注意:PCB的设计地走线,地回路,接地点的位置设计也是解决抗扰度ESD设计最关键的设计方法与思路。

目前行业内最典型的EMS敏感度的设计也都跟这个结构图相关联。

产品问题的发生也是跟我们产品设计可靠性相关联的

更多的电子产品电路可靠性设计系列,会逐渐为大家解开这些设计方面的坑,让电子设计工程师少走弯路,敬请关注!

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