电子通信产品的ESD防护设计研究

分类：生物医学工程论文发表 时间：2014-03-24 16:29 关注：(1)

　　【摘要】电子产品以及人体本身都非常容易带静电，当人体(所带电极不同)与电子产品相互接触的时候，所累积的电荷有可能通过某种导体，或在空气中进行释放，从而产生静电现象。正在运行的电子器件，因静电释放而产生的周围磁场的变化，使电子器件获取的信号发生错误，从而产生错误操作，导致电子器件遭受损坏。

　　【关键词】电子通信,ESD,防护设计

　　ESD即静电释放，是一种电荷的快速中和的现象，它是静电源产生的电能在进入电子组件之后由于感应而迅速产生放电的现象。

　　据统计，由静电释放而造成的电子器件的损坏，在所有损坏失效的电子器件中占有的比重超过60%。可见，加强电子产品的静电防护设计十分必要。

　　一、电子通信产品中静电释放(ESD)的危害

　　(一)静电释放导致电子通信产品的元器件失效

　　在静电的释放过程中会有电流产生，从而导致附近的电磁场产生变化，使电子通信产品的电子元器件获得的信号发生错误，影响电路的正常的数字逻辑，从而造成电子通信产品的错误操作，严重者可能引起电子产品的死机。同时，在静电释放时，很有可能直接导致电子通信产品元器件自身出现开路或者短路等问题，从而使电子通信产品的工作能力丧失。若带电物体本身所带的静电的电位比较低，在一次性的静电释放中可能不会造成电子通信产品的元器件完全完全丧失工作能力，但对其内部或多或少都会造成一定程度的损伤，这种损伤难以被检测出来，若在多次的静电释放后，经累积的电子通信产品的元器件的损伤就会使其彻底丧失工作能力，从而带来巨大的损失。

　　(二)静电释放对电子通信产品产生干扰，造成信息错误

　　静电释放属于脉冲干扰，在对电子通信产品进行静电放电时，可能会在电子通信产品的内部的多数位置检测到幅值较大的干扰脉冲，从而导致设备的信息出错，致使逻辑电路产生翻转，从而使电子通信产品产生故障。此外，静电释放还可能产生电平和频带都非常高的电磁脉冲干扰，当电子通信产品的敏感电路与这一电磁脉冲干扰发生藕合时，也会造成错误信息出现，造成电子通信产品发生故障。

　　(三)高压的静电释放会吸附尘埃微粒

　　静电电荷对空气中的尘埃微粒的吸附性非常强，这些尘埃微粒会对半导体芯片以及印刷电路板(PCB板)造成严重的污染，降低了半导体芯片与PCB板的绝缘电阻率，这就会对电子通信产品的元器件的工作效率造成严重的影响，更甚者可能导致电子通信产品元器件发生故障(如互补金属氧化物半导体电路产生门锁)，丧失工作能力。

　　二、电子通信产品静电防护设计的要求及注意事项

　　由于静电释放的问题是长期存在的，因此，要把电子通信产品的ESD防护作为一项重要的工作贯穿于电子通信产品元件从设计、生产到运行使用的整个过程之中，并对其静电释放进行验证。电子通信产品静电防护设计的要求与注意事项主要表现在以下方面：

　　(一)明确电子通信产品ESD防护方案的等级

　　ESD防护方案的防护等级主要分为基本防护与全面防护两大类。

　　1.ESD的基本防护。ESD的基本防护主要包括人员1-2小时的基本的ESD培训、人员外露的皮肤可以通过相应的传导体接地、人员腕带1MΩ电阻接地、传导性的工作面接地以及聚乙烯保护包装等。[论文网]

　　2.ESD的全面防护。ESD的全面防护是指在ESD的基本防护等级的基础之上，再增设一些额外的、更加全面的ESD防护措施。比如，对电子通信产品采用双层包装，并在包装的最外层贴上防静电保护或者增设一层金属箔片包装，将包装细致化。由于电子通信产品的元器件存在差异，相应的其ESD防护等级也存在着差异。因此，只有明确各电子通信产品元器件的ESD防护等级，才能够有针对性的采取有效的ESD防护措施。

　　(二)根据实际需求确定ESD防护标准与管理方法

　　由于ESD防护应用的地点与范围存在着巨大的差异，因此，其防护的具体的要求也存在着差异性，如运用于军事或者工业的ESD防护，其防护要求存在着巨大的差异。因此，各企业单位需要提供详细具体的ESD防护要求，再根据具体的要求以及标准，为电子通信产品的ESD包装、电路设计以及操作等，提供具体的操作步骤以及有效的ESD防护措施，制定具体的ESD防护方案。此外，要加强ESD管理，确定执行制定的ESD防护方案情况、ESD防护设施进行维护的花费情况以及人员的训练情况等。检测方案是否有效可行，从而找出具体的管理办法与改进措施，优化ESD防护方案，提高ESD防护作用。

　　(三)对ESD防护进行有针对性的考虑

　　在电子通信产品的设计阶段就应该将ESD防护纳入考虑的范围之内，能够有效避免在电子通信产品的研发后期所产生的静电释放的影响，有效控制电子通信产品的的研发周期，节省其研发成本。若在电子通信产品的设计基本定型且不能做太大的修改以后，再考虑其ESD防护，就会降低电子通信产品的ESD防护效果。因此，在电子通信产品的设计之初，就应将其ESD防护作为一项重要的工作，着重考虑。此外，电子通信产品的生产企业应该要有一个自身电子通信产品元器件的静电释放的顺序表，了解电子通信产品各元器件的静电释放能力。

　　(四)电子元器件结构及其整体设计要求

　　在电子通信产品的结构设计时，可采用绝缘胶布避免金属件外露而产生的回路的问题，静电的电荷量虽然非常少，但是静电电位却相当高，因此，即使有时使用绝缘涂层或是涂料外壳也不可能完全避免静电释放对电子通信产品元件带来的损害。在电子通信产品元器件的结构设计时，要确保电子通信产品的元器件外壳与地面之间能够有较好的接触，而且外壳的各面板之间也要有良好的接触，电阻应该低于0.4Ω，另外还须将信号线与电源线明确的区分开来，这样可以通过地面回路将静电电荷放掉，有效避免静电的累计，从而有效保护电子通信产品的元件，避免静电对元件造成损害。

　　(五)印刷电路板(PCB)的ESD防护设计要求

　　印刷电路板是设置有各项电子零件以及集成电路的电路板，它几乎存在于所有的电子设备中，它是电子元器件的重要支撑体以及电气连接的主要提供者，因此在对电子通信产品进行ESD防护设计时，印刷电路板的ESD防护设计尤为重要。印刷电路板的ESD防护的具体要求主要有：

　　1.减少电流环路设计。由于ESD受电流环路的影响非常大，若印刷电路板中的电流环路越大，那么静电释放所产生的影响也会随之增大，从而就不利于印刷电路板的静电防护。因此，在对印刷电路板进行ESD防护设计时，应最大程度地减少环路电流的设计，可较多地采用单独电源PCB设计或者是接地PCB设计。

　　2.重点保护电子通信产品的敏感元器件。由于静电防护的关键在于敏感元器件，因此，加强对敏感元器件的保护对于电子元器件的ESD防护具有重要作用。对于敏感元器件的保护，可采用给敏感元器件加绝缘胶布等物品的方法，将敏感元器件作为核心的保护对象进行保护。

　　三、电子通信产品ESD防护设计

　　电子通信产品在进行ESD防护设计时要根据静电释放耦合到电子线路的耦合方式，如磁场耦合(即电感耦合)、电场耦合(即电容耦合)以及通过直接传到静电到电子线路的耦合方式，进行静电屏蔽、绝缘隔离等操作，对电子通信产品进行静电防护设计。

　　(一)电子通信产品机壳的ESD防护设计

　　电子通信产品自身的搭接情况与其静电的抗干扰性有着直接性的联系。如果电子通信产品搭接效果良好，静电泄放速度也会相应加快，电子通信产品的静电抗干扰性就越好。因此，在对电子通信产品机壳的静电防护设计时，要注意在机壳的外露面要涂上复绝缘漆，为了防止二次电弧的发生，要尽量避免金属零件中出现尖锐的的边缘;同时，还要将包括地线在内的内部电路与机壳之间隔开一定的距离;此外，要单独将机壳接地、保护地以及工作地引到接地汇集线或者是接地桩上。

　　(二)电子通信产品金属部件的ESD防护设计

　　1.对金属部件进行ESD防护设计，阻止电路中的静电电流通过。电子通信产品中，极易被人体所接触到的操作面板上的一些小部件，如旋钮、小面板、键盘以及按钮等，应尽量避免使用金属，可多采用薄膜开关面板或者一些绝缘物品。对于一些与电子通信产品内部没有多大联系的部件，在必须要使用金属的情况下，要在金属部件的外层涂上复绝缘层，使之与包括地线在内的内部电路隔开一定的距离，使绝缘强度增加。例如，在电子通信产品固定单板的起拔拉手与金属锁簧的外表上涂上复绝缘漆，形成绝缘层，增加绝缘强度，从而有效阻止静电电流从电路中通过。

　　2.对金属外壳接插件进行ESD防护设计，为静电电流提供泄放通道。由于电子通信产品的金属外壳与信号芯线之间的距离非常微小，几乎可以忽略不计，因此，电子通信产品的金属外壳上产生的静电干扰非常容易通过信号芯线直接进入电子通信产品的内部电路之中。因此，对于金属外壳的接插件而言，在对其进行ESD防护设计时，要采用接地泄放的方式，为静电电荷提供一个泄放通道，将金属外壳上的静电电荷快速的转移到静电容量非常大的载体中，有效抑制静电干扰信号进入电路。

　　(三)印刷电路板的ESD防护设计

　　由于印刷电路板上的所有回路(电源与地、信号与地之间的回路)对于瞬时静电电流所产生的磁场敏感性非常强，因此PCB上的全部回路都应该尽量保持较小的面积。对于印刷电路板中的引线，特别是电磁干扰源信号线，例如时钟信号线，以及复位信号线之类的敏感信号线的引线长度要尽量缩短。像拨码开关或者复位按钮之内的具有金属外壳的且安装在印制板上的电子通信产品元器件，要确保它们的金属外壳必须接地。此外，对于印刷电路板中的双层板而言，在较为安全的情况下，地线与电源线之间要尽量靠近;采用双列直插式封装的集成电路，在两排引脚之间应该平等地布置地线走线与+5V走线。

　　对电子通信产品静电放电而产生的静电干扰脉冲，具有非常丰富的高频分量，因此，在对印刷电路板进行静电防护设计时，要对地和电源之间使用高频的电容器去耦，并对信号进线与电源进线之间采用滤波器进行滤波操作，从而有效抑止静电干扰。采用滤波去耦防止干扰在具体操作时应注意：

　　1.用LC网络对功能单板中的电源输入端进行滤波;

　　2.对于PCB双层板，若电源的引线长度过长，需要在地与电源之间设置一个去耦电容，同时要使电源线尽量向地线靠拢;

　　3.在地与集成电路的电源之间也应该设置一个去耦电容，并确保其并接在同一个芯片的接地端与电源端;可以设置多个去耦电容给规模较大且地与电源有多个引脚的集成电路。

　　对于电子通信产品的ESD防护设计涉及面比较广，而且电子通信产品的电子系统又具有复杂性与多样性的特点，因此，在对电子通信产品进行ESD防护设计时，要在设计初期就将ESD防护作为核心部分，并结合产品系统ESD防护的实际需求，如防护等级要求以及敏感类型等，对电子通信产品进行具体的、有针对性的ESD设计，才能使ESD防护效用更好地发挥。

　　参考文献

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