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| 如何解決靜電放電對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生影響問(wèn)題 |
| 點(diǎn)擊次數(shù)：4107 更新時(shí)間：2011-10-24 |
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以人體走過(guò)地毯然后接觸鍵盤為例建立的靜電放電事件的模型例子來(lái)討論靜電放電的影響來(lái)得出的結(jié)論具有一般性。解決靜電放電問(wèn)題要從系統(tǒng)的角度考慮問(wèn)題。我們把建立的靜電放電模型是將鍵盤看成一個(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zui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zui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*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）*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)*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，*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。
人體上的低頻放電電流的路徑是選擇一條電阻zui小的路徑直接到地，當(dāng)然這個(gè)描述是近似的，實(shí)際情況要更復(fù)雜一些。
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zui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zui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)線都可以是的天線。下面還以鍵盤為例，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)，在鍵盤的上面有一塊金屬板，但是鍵盤上按鍵需要較大的開(kāi)孔（現(xiàn)實(shí)世界中的殼體很少是*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 |
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