关于静电ESD防护，我们怎样才能免遭毒手
对付静电，与控制传染疫情的原理类似，不外乎控制静电产生源头，切断传播途径，增强设备本身的抗静电能力。我们先看两个跟防静电有关的重要题目：大地和法拉第笼，然后介绍有哪些常用的手段，可以保护我们的设备免遭ESD的毒手。
对于我们脚下的大地，大家可能是再熟悉不过了。可我们对她又真的了解多少呢？这颗形成于46亿年前的星球，经过漫长的演化，孕育出五彩斑斓的世界，她是奔腾不息生命的摇篮。在电子领域，大地也是一个非常重要的题目，但教材里对她的提及却太少。处于地球表面的大地本身带负电荷，而大气中含有净的正电荷，平常我们虽然感觉不到，其实在空气中，存在一个垂直指向地面的电场，大气中的正电荷沿着电场注入大地。虽然比较微弱，但从整个地球来看，竟然达到1800A的电流。与之相反，云层和大地之间发生闪电时，会有负电荷流入大地，使系统总体上处于一个平衡的状态。我们可以简单的认为，大地是一个可以容纳无穷多电荷的海洋。当有带正电荷的物体和大地连接时，会有带负电荷的电子从大地涌入物体，与正电荷中和；当有带负电荷的物体连接至大地时，物体上的负电荷，会释放到大地中。所以对于静电释放来说，大地是一个最好的去处。当然，一个悬浮于空中的金属导体，也有容纳电荷的能力，如果它上面再有一些尖刺，还会通过尖端放电，把电荷通过空气慢慢释放掉。但是这种悬浮物体对电荷的容纳能力还是非常有限的。
这是一个经典的实验，现在我们可以带着轻松的心情体验一下。一个封闭的金属笼，当用10万伏的高压靠近它时，会发生猛烈的放电，但是人在笼内是非常的安全，不会有任何危险。在1836年，英国物理学家法拉第，可是冒着生命危险做的这个实验。他搭建了一个金属外壳房子，然后用静电发生装置去电击这个金属房子外壳。我们到现在，仍然依据此实验原理，去做静电防护。需要注意的是，金属笼本身必须是良好的导体。比如飞机的金属外壳，在搭接的地方要保证电阻非常小。这样万一被雷击中了，也能保证机内设备和乘客幸免遇难。一个设备如果有封闭的金属外壳，可以对内部的电路形成很好的保护但是考虑另外一种情形，如果有一根导线从法拉第笼内部穿出，情况恐怕就不妙了。试想一下你去跟法拉第笼中的小朋友握个手？估计是当场GG。现场设备，特别是工控领域，经常要有长长的线缆连接至别的设备。像下面这种，如果设备拖了一条电缆，此电缆接地，或者仅仅是靠近地面，就会形成一个放电的通路。即使是设备外壳接地，仍不能避免此通路上发生放电。所以要考虑在电缆进出设备的地方做防护，或者干脆直接隔离开，以避免形成放电通道。
静电的积聚本身，不会产生什么危害，产生破坏的，是静电放电的一瞬间。这个释放的时间越短，则能量越集中，越容易产生破坏。我们可以想像一个气球，吹的再大，只要没爆就没事儿。但是拿一根针扎一下，就会啪的一声爆掉，这就有点儿破坏性了。如果一个物体已经积聚了大量的静电，这时候如果有一个放电通路，把它连接到了另外一个能容纳电荷的物体，或者连接到了大地，这时候电荷就会在非常短的时间，在纳秒(nS)级的时间内释放掉，电流可能达到数十安，对放电路径上的物体产生剧烈的破坏作用。如果静电的电势特别高，它会击穿和邻近物体之间的空气，通过空气放电释放掉。这也是经常发生的一种破坏。另外我们知道变化的电流，产生变化的电磁场，静电释放发生在一瞬间，频率高，电流大，所以产生的高频电磁辐射也很厉害。那么这种电磁辐射，就会通过空间耦合到敏感电路，对其形成破坏。
对付静电最好的办法，就是不让它产生。至少不能让它积累到产生破坏的程度。比较常用的是离子风机，它能源源不断地产生出正负离子，并吹送到需要消除静电的地方。另外在产品的生产和运输中，使用防静电工作台，专用的防静电包装等也能防止静电的积聚。当我们改变不了世界的时候，至少能改变我们自己。对于静电也是这样，大多数情况下我们能做的，是不让静电进入设备，加强设备的抗静电能力。不用花什么成本，但很有效的方法，是增大设备内部敏感电路板到外壳的距离。这里我们经常会忽视的是固定电路板的螺钉，这些螺钉一般都是金属的，直接拧到外壳。这样的情况下，虽然电路板离外壳挺远，但静电还是能沿着螺钉轻易的爬进电路板，功亏一篑。所以记得螺钉要和内部电路保持距离。屏蔽，是阻止静电进入设备最为有效的方法。由于静电释放的一瞬间，会产生强烈的电磁场辐射，所以我们还需要对电磁场辐射进行屏蔽。对于频率低的磁场，主要是用高导磁率的材料做壳体，使磁场被引导，集中从壳体经过。对于高频的磁场，要用导电性能良好的金属，其原理是磁场在导体中会激发出涡流，此涡流产生反向的磁场，与源磁场互相抵消，从而达到对内部区域的屏蔽。如果需要同时对电场，高频和低频磁场做屏蔽，壳体需要选取复合屏蔽材料。屏蔽金属壳最好要接地，这样电荷可以泄放到大地，而且不但能屏蔽外部的电场和磁场，也能屏蔽内部的电磁辐射对外部的干扰。静电释放Electro-Static Discharge (ESD)对于设备外部的静电，我们要把它堵在外面，在入口的地方用TVS(Transient Voltage Suppressor)管，把静电泄放到机壳上。另一方面，对于已经进入设备的静电，要把它缓慢释放掉，缓慢释放掉，缓慢释放掉，重要的事情要说三遍。对于电路板设计，下面是比较常用的处理方式：电路板最外侧是一圈保护地，通常用螺丝固定到金属外壳，外壳再通过低电阻的导线连接至大地。这样外部的静电直接被泄放到大地，不会对内部电路板上的器件产生任何伤害。内部的信号地，就是我们电路信号的参考地，通过1M欧姆电阻连接至保护地，它可以把电路板信号地上积累的静电缓慢释放掉，电路板上的其它电路可以先把静电释放到信号地。1nF的电容，对信号地到保护地提供一个高频的通路，电路板上通过高频辐射感应产生的能量，可以通过它释放到地。看到这里我们可能会有两个疑问：为什么保护地要留个缺口呢？我们为什么不把信号地直接和保护地连起来呢？这样不是静电更容易泄放到大地吗？第一个问题，如果把缺口连上，保护地就会成为一个环形的回路，如果有电磁场以垂直电路板的方向通过，则会在此回路中感应出电流，对电路板来说就是强干扰。对于通过空间传播的电磁辐射干扰来说，最怕的就是电路板上存在电流可以流动的回路。如果我们留心，可以看到电路板上的保护地，如晶振周围的保护地(Guard Ring)，也不是封闭起来的一圈，而是会留出缺口。第二个问题，对于一些设备，如果有良好导电的金属外壳，外部没有长导线，信号地直接接机壳也是可以的。比如我们家里的电脑，主板上的地线就是直接连到机壳的。对于有长导线暴露在外，易于和大地之间形成放电通路的，就要考虑在引线接口处，用隔离阻断放电通路，或者用静电保护器件把静电导入大地。需要注意连接至敏感器件的导线，如果此导线走线比较长，而且靠近静电放电的通路，很容易被电磁辐射干扰。应尽量远离干扰源，避免与放电通路平行走线，在导线串接小电阻，或者磁珠等，可以抑制干扰进入敏感器件。最后想说，最重要的是实践。我们设计一个产品时，首先要看国家标准，或国际标准的要求。还有就是不要迷信权威和教条，遇到关于ESD的疑惑时，我们不妨回到起点，就是这个设计，会不会导致大量电荷瞬间释放的情况。以上是我们对静电保护的一些粗浅见解，你有不同的看法吗？留言文章末尾留言。参考资料：《EMC 电磁兼容 设计与测试案例分析》郑军奇PCB Design Guidelines that Maximize the Performance of TVS Diodes，Littelfuse 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-06-17
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