靜電放電解決指南

1、靜電放電解決指南序言近日來(lái)，許多人通過(guò)信函咨詢有關(guān)靜電放電的問題，有些人甚至帶著他們的產(chǎn)品來(lái)我所培訓(xùn)時(shí)進(jìn)行討論，尋求妥善解決的方法。從他們急切的心情中，可以理解靜電放電問題真是讓人傷透了腦筋。特別是北方地區(qū)，冬季越來(lái)越干燥，幾乎人人身上都攜帶著數(shù)千伏的靜電（過(guò)去化纖衣料較少，這個(gè)問題還不是很突出），靜電的潛在危害無(wú)處不在。隨著電子/信息技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員的知識(shí)增長(zhǎng)呈現(xiàn)出前所未有的速度。但是與與日俱增的靜電和更加嚴(yán)格的靜電放電抗擾度要求相比，設(shè)計(jì)人員有關(guān)靜電和靜電放電的知識(shí)卻沒有增加。這就是為什么我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品總是會(huì)出現(xiàn)靜電放電方面的問題的原因。事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，幾乎沒有固定的思路來(lái)

2、防止靜電放電問題。當(dāng)問題出現(xiàn)時(shí)，他們會(huì)嘗試各種方法，直到問題解決。往往當(dāng)問題解決時(shí)，他們并不知道為什么解決，并且心里還是忐忑不安，生怕問題沒有徹底解決。之所以會(huì)這樣，是因?yàn)槲覀儾恢漓o電放電對(duì)設(shè)備造成影響的機(jī)理，因而也就不知道怎樣來(lái)消除這種影響。有關(guān)靜電放電機(jī)理、對(duì)設(shè)備造成影響的機(jī)理和解決靜電放電問題的方法。可以從下面五個(gè)內(nèi)容進(jìn)行考慮：第一：靜電放電的模型，靜電放電對(duì)電子設(shè)備的影響第二：固件、軟件和線路板上的對(duì)策第三：電纜與機(jī)箱設(shè)計(jì)指南第四：電路設(shè)計(jì)指南第五：制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的注意事項(xiàng)1.靜電放電模型 要完全理解靜電放電（E電弧D）事件，必須首先了解靜電放電產(chǎn)生的原因。本章對(duì)靜電放電進(jìn)行

3、詳細(xì)的論述。為了使講解更具體，以在地毯上行走的人接觸電氣設(shè)備為實(shí)例。本例中的設(shè)備是計(jì)算機(jī)的鍵盤（因?yàn)殒I盤是操作員最頻繁接觸的）。但一定要記住，這里介紹的靜電放電過(guò)程適合于其它任何場(chǎng)合。首先我們假設(shè)人體是不帶電的，然后討論人體充電的過(guò)程。當(dāng)人在地毯上行走時(shí)，鞋跟會(huì)與地毯碰撞接觸。這時(shí)，電荷會(huì)在地毯和鞋之間移動(dòng)，具體移動(dòng)方向取決于鞋子和地毯材料的分子結(jié)構(gòu)。這通常稱為摩擦充電。許多文獻(xiàn)都給出了摩擦生電的排序表，說(shuō)明什么物質(zhì)可以從什么物質(zhì)吸引電子。實(shí)際上，很難確定一個(gè)能夠用實(shí)驗(yàn)重復(fù)的精確序列。有時(shí)人造織物會(huì)從橡膠吸引電子，而有時(shí)相反。這通常用物質(zhì)表面不純來(lái)解釋。因此，在實(shí)際中很難預(yù)見鞋子是帶正電還是負(fù)

4、電。但有一點(diǎn)是肯定的，就是鞋子上會(huì)帶電，而地毯上的腳印上會(huì)帶相反的電荷。當(dāng)人在地毯上行走時(shí)，鞋子上的電荷越來(lái)越多，直到鞋子存不下為止。與充電過(guò)程相反的過(guò)程是回放電流。大部分回放電流流過(guò)鞋子和地毯，一小部分流過(guò)空氣。較高的濕度會(huì)降低介質(zhì)的電阻，增加回放電流。這意味著鞋子的充電會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，在平衡點(diǎn)，充電電流等于回放電流。溫度也會(huì)影響介質(zhì)的電阻，但比濕度的影響小得多。至此，我們僅討論了鞋子和地毯這樣一些絕緣介質(zhì)。不要忘記，還有人體這樣一個(gè)導(dǎo)體存在。鞋跟上的靜電荷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)，在這個(gè)靜電場(chǎng)的作用下，腳跟處會(huì)感應(yīng)出極性相反的電荷，于是人體上的電荷要重新分布。人體組織，除了皮膚以外，是十分良好的

5、導(dǎo)體，因此在人體的其它部分會(huì)產(chǎn)生與腳上電荷極性相反的電荷。例如，假設(shè)鞋跟從地毯吸引電子，地毯上留下了正電荷，鞋子上帶負(fù)電荷，這些負(fù)電荷會(huì)將人體上的正電荷吸引到腳上，于是人體的其它部位剩下負(fù)電荷。人體上的電荷量取決于前面所述的回放電流。電壓可以達(dá)到很高，甚至發(fā)生輝光放電。輝光放電是空氣電離的結(jié)果?？諝怆婋x是指當(dāng)加在氣體上的電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)，氣體中的自由電子或離子將獲得足夠的能量，撞擊其它原子和分子，產(chǎn)生更多的自由電子和離子，形成導(dǎo)電氣體。只要外界的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，就能維持這一狀態(tài)。下面，再把實(shí)例中的鍵盤加入到討論中。當(dāng)人體接近鍵盤時(shí)，會(huì)在鍵盤上靠近人體（手臂）部位感應(yīng)出相反的電荷。由于鍵盤是接地的

6、，因此其充電過(guò)程是由電子在鍵盤內(nèi)部的地線上流動(dòng)而產(chǎn)生的（沒有接地的設(shè)備是由電荷重新分布來(lái)抵消人體電荷的）。在本例中，由于人體帶負(fù)電荷，因此鍵盤會(huì)通過(guò)地線失去電子而帶正電荷。人體與鍵盤之間的距離越近，鍵盤上相反的電荷越多。鍵盤充電的速度與人體接近鍵盤的速度有關(guān)。但是即使接近速度很快，充電電流的上升速率也是很低的，因此，在放電發(fā)生之前形成的充電過(guò)程并不會(huì)對(duì)鍵盤的工作造成任何影響。比充電更重要的一個(gè)因素是放電之前存在與人體和設(shè)備之間的靜電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)會(huì)在設(shè)備上感應(yīng)出不同的電壓。設(shè)備上不同部位的電位差如果太大，會(huì)造成集成電路等器件的損壞（這意味著并不只有靜電放電會(huì)帶來(lái)危害）。我們將本例中的人體和鍵盤用

7、圖1所示的模型來(lái)表示。圖1 人體和鍵盤靜電放電系統(tǒng)的模型圖中各參數(shù)的含義如下：C人體 = 人體和大地之間的電容R人體 = 人體的電阻L人體 = 人體的電感C臂 = 人手臂與大地之間的電容C臂鍵 = 人手臂與鍵盤之間的電容R臂 = 人手臂放電路徑的電阻L臂 = 人手臂放電路徑的電感C指 = 人手、手指與鍵盤之間的電容C鍵盤 = 鍵盤與大地之間的電容R鍵盤 = 鍵盤到大地路徑的電阻L鍵盤 = 鍵盤到大地路徑的電感C指 、C臂鍵 與C鍵盤 之間的電阻和電感很小，因此沒有包含在這個(gè)模型中。關(guān)于這個(gè)模型，需要強(qiáng)調(diào)以下5點(diǎn)：1) 雖然模型中用集總參數(shù)來(lái)描述，但是一定要清楚在實(shí)際中是分布參數(shù)。（在精確描述靜

8、電放電過(guò)程方面，傳輸線理論更適合）2) C人體 、C臂 和C鍵盤 通常稱為自由空間電容，因?yàn)檫@兩個(gè)電容元素（身體和地球）通常距離較遠(yuǎn)，接近自由空間的電容值。注意，這并不是不變的，當(dāng)人體靠近大地時(shí)，人體的電容更大一些。3) 在C臂鍵盤 與鍵盤之間或 C臂 與C人體 與大地之間沒有電感或電阻。這意味著在設(shè)計(jì)用來(lái)模擬這個(gè)模型的靜電放電發(fā)生器時(shí)要非常仔細(xì)。甚至一根導(dǎo)線的電感也會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)果。4) 這個(gè)模型中的設(shè)備是接地的。手持或袖珍設(shè)備中沒有R鍵盤 和L鍵盤 。5) 雖然這個(gè)模型是針對(duì)人體-鍵盤模型提出的，但實(shí)際是非常通用的。通過(guò)改變L、R、C，可以作為其它靜電放電現(xiàn)象的模型。前面的模型完整地描述了靜

9、電放電事件中發(fā)生的充電過(guò)程。下面要討論放電過(guò)程。當(dāng)人的手指靠近鍵盤時(shí)，手指與鍵盤之間的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)很強(qiáng)，導(dǎo)致空氣擊穿。這首先形成一個(gè)離子導(dǎo)電通路，然后形成電弧，這時(shí)開始了主要的放電過(guò)程。雖然在電弧發(fā)生之前手指向鍵盤逼近的速度并不重要，但是在電弧發(fā)生期間手指逼近鍵盤的速度卻非常重要。電弧形成所需要的時(shí)間遠(yuǎn)比電弧的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。由于在電弧形成過(guò)程中手指保持向鍵盤移動(dòng)，因此快速移動(dòng)時(shí)比慢速移動(dòng)時(shí)形成的電弧間隙小（即使電壓是相同的）。因此，對(duì)于快速移動(dòng)，與電弧間隙的電壓會(huì)很高。由于更快的電流上升速率和更大的幅度，因此會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電放電。對(duì)前面的模型稍微進(jìn)行修改，就可以用來(lái)描述靜電放電過(guò)程。如圖2所示，基本模

10、型保持不變，僅在電弧放電路徑上與C指 并聯(lián)了電阻和電感。R電弧 和L電弧 并不是常數(shù)，在電弧發(fā)生過(guò)程中是發(fā)生變化的。特別是R電弧 的值，開始時(shí)較大，隨著空氣電離程度的增加，越來(lái)越小。圖2包含了弧光的靜電放電模型這個(gè)模型雖然有一定的局限性，但是能夠比較確切地描述靜電放電的過(guò)程。當(dāng)電弧形成時(shí)，首先使C指 放電。 R電弧 、L電弧 和C指 形成了一個(gè)阻尼震蕩回路。阻尼特性取決于R 電弧 ，而回路的振蕩頻率取決于L電弧 和C指 。C指 的量值取決于手指和手的大小。較小的手和較細(xì)的手指具有較小的C指 ，而從理論上講，較小的C指 具有較高的頻率。但是，較細(xì)的手指也會(huì)在較低的電壓形成輝光放電。輝光放電的發(fā)生

11、會(huì)嚴(yán)重影響放電波形。在這個(gè)模型中，輝光放電的離子流可以看成將C指 、C臂鍵盤 和C臂 短路的旁路電阻。在電弧發(fā)生之前，離子流提供的旁路會(huì)對(duì)C指 充電。這意味著，放電波形中的高頻成分會(huì)減少。因此，只有當(dāng)輝光放電沒有發(fā)生時(shí)，靜電放電的最高頻率才取決于R 電弧 、L電弧 和C指 的量值。當(dāng)CF 放電時(shí)，由C 鍵盤 、C臂 和C臂鍵盤 構(gòu)成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也開始放電。但是，這個(gè)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的放電電流不僅僅流過(guò)R 電弧 和L電弧 ，也流過(guò)R 臂 和L臂 。另外這個(gè)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電容大于C指 。這意味著C 臂 和C臂鍵盤 的放電比C指 單獨(dú)放電要慢。對(duì)于C 人體 ，放電路徑包括R人體 、L人體 、 R臂 、L臂 和L電

12、弧 。另外，C人體 的放電路徑還包含由R鍵盤 、L鍵盤 和C鍵盤 構(gòu)成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。需要指出的是，在C指 、C臂鍵盤 和C臂 的放電電流中，僅有很少一部分流過(guò)鍵盤的接地路徑。并且，經(jīng)過(guò)C人體 的放電電流中的任何高頻成分都趨向流過(guò)C鍵盤 ，而不是鍵盤的地線。鍵盤地線中的電流僅限于C人體 放電電流中的低頻成分。R 、L 和C 的值決定了放電電流的波形。如前所述，C指 的放電電流會(huì)產(chǎn)生很高的頻率。C臂 和C臂鍵盤 的放電產(chǎn)生較高的頻率。最后，C人體 的放電產(chǎn)生較低的頻率。電容放電不僅會(huì)產(chǎn)生上述頻率范圍內(nèi)的電流，還會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩。根據(jù)R 、L 和C 的具體數(shù)值，這種阻尼振蕩可以是過(guò)阻尼，也可以是欠阻尼。

13、不同的波形如圖37所示。圖3 極高頻率圖4 高頻圖5 低頻圖6 欠阻尼圖7 過(guò)阻尼計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)都表明波形不是過(guò)阻尼就是阻尼很大的振蕩，這取決于人體的具體位置和大小。典型放電的完整波形如圖8所示（虛線表示有電暈放電影響時(shí)的波形）。圖8 典型人體靜電放電電流波形在這個(gè)波形中，低頻成分轉(zhuǎn)移的電荷比高頻成分多，但是高頻成分 會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的場(chǎng)。 由實(shí)驗(yàn)得出的各個(gè)參數(shù)的范圍如下：Tr （上升時(shí)間） = 200ps至70msTS（尖峰寬度） = 0.5ns 至10nsTt （持續(xù)長(zhǎng)度） = 100ns 至2(s計(jì)算機(jī)模型計(jì)算結(jié)果表明，范圍可能更寬。不僅電流波形在時(shí)間特性上差異很大，而且幅度也回在1A至20

14、0A范圍內(nèi)變化（計(jì)算機(jī)模型計(jì)算的結(jié)果給出更寬的范圍）。正是由于不同條件下靜電放電的特性差異性很大，因此電子設(shè)備對(duì)靜電放電的響應(yīng)很難預(yù)測(cè)。所幸的是，我們可以用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理這個(gè)問題。一定要記住的一個(gè)事實(shí)是，靜電放電時(shí)間產(chǎn)生的能量很大，頻率很高（高達(dá)5GHz）。另一個(gè)重要的事實(shí)是，C指 、C臂鍵盤 、C臂 、L臂 和R臂 對(duì)高頻的產(chǎn)生有很大影響。過(guò)去使用的簡(jiǎn)單RC模型忽略了這一點(diǎn)。圖9是一個(gè)忽略了人體實(shí)際情況的簡(jiǎn)單RC模型。這個(gè)模型把問題簡(jiǎn)化得太厲害了，因此導(dǎo)致了許多不正確的結(jié)果。圖9靜電放電的簡(jiǎn)單RC模型以上對(duì)充電和放電過(guò)程進(jìn)行了完整的討論。但還有些事情需要說(shuō)明。許多實(shí)驗(yàn)表明，在一個(gè)靜電放電事

15、件中，會(huì)發(fā)生多次放電。這些放電陸續(xù)減弱，間隔從10(s至200ms。導(dǎo)致這種多次放電的因素有2 3個(gè)。請(qǐng)?jiān)倏匆幌履Ｐ?，如果R人體 和L人體 的值較大，則即使C人體 上還有電荷，C臂 和C指 也會(huì)發(fā)生完全放電。當(dāng)C臂 和C指 放電完畢時(shí)，電弧會(huì)熄滅。這時(shí)，C人體 會(huì)對(duì)C臂 和CF 充電，直到空氣再次被擊穿。結(jié)果再次發(fā)生電弧，C臂 和CF 開始放電。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)下去，直到C人體 上的電荷放凈。C人體 上的電荷主要集中在腳跟處，在腳底表面也會(huì)分布一些。因此，R人體 包含了皮膚電阻，其阻值是較大的。但這只能解釋多次放電之間的間隔為(s級(jí)的現(xiàn)象，更長(zhǎng)的間隔則說(shuō)不通。放電間隔要大于200ms，R人體

16、和L人體 的就必須很大。人體似乎達(dá)不到這樣高的數(shù)值。因此造成更長(zhǎng)間隔的放電的原因可能有兩個(gè)，一個(gè)是鞋跟的介質(zhì)吸收效應(yīng)。我們可以將鞋跟看成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，其電阻很大。這個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)向人體提供電荷。另一個(gè)原因是可能是因?yàn)槿梭w向鍵盤移動(dòng)。如前所述，當(dāng)沒有足夠的能量維持電弧通路時(shí)，電弧會(huì)熄滅。直到手指距離鍵盤更近時(shí)，電弧才會(huì)再次發(fā)生。這時(shí)電弧間隙較小，激發(fā)電弧所需要的能量也較低。如果確實(shí)存在對(duì)C臂 和C指 的再次充電，那么即使沒有多次放電，充電也會(huì)發(fā)生。這種再充電（會(huì)導(dǎo)致多次放電）會(huì)影響電子設(shè)備。如果人體再充電，設(shè)備（本例中為鍵盤）肯定也再充電。由于再充電電流的上升時(shí)間在(s數(shù)量級(jí)（甚至更慢），因此大部分

17、電流會(huì)經(jīng)過(guò)設(shè)備的接地路徑，而不是C鍵盤 （C鍵盤至通常在數(shù)十pf數(shù)量級(jí)）。對(duì)于(s數(shù)量級(jí)的快速再充電，流過(guò)地線的電流會(huì)對(duì)設(shè)備的工作產(chǎn)生一定的影響，構(gòu)成與靜電放電相關(guān)的頻率較低的噪聲源。無(wú)論如何，當(dāng)人體初始電荷較高時(shí)，多次放電更容易發(fā)生。多次放電的現(xiàn)象可以解釋另一個(gè)許多實(shí)驗(yàn)員觀察到的現(xiàn)象。這就是，較高電壓的靜電放電和較低電壓的靜電放電都比中等電壓的靜電放電造成的問題嚴(yán)重。之所以會(huì)這樣，是因?yàn)榭焐仙龝r(shí)間和高尖峰信號(hào)才是造成問題的主要原因。電壓較低時(shí)，輝光放電的作用很小，因此上升時(shí)間會(huì)很快，峰值電流也很大。中等電壓時(shí)，有輝光放電發(fā)生，這使上升時(shí)間增加，并減小了峰值電流。電壓較高時(shí)，雖然也會(huì)有輝光放電

18、發(fā)生，但是會(huì)發(fā)生多次放電。在每個(gè)多次放電序列中，會(huì)有一個(gè)以上的低電壓放電，這會(huì)導(dǎo)致快速上升時(shí)間和高峰值電流，產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。2.靜電放電對(duì)電子設(shè)備的影響上一章，我們以人體走過(guò)地毯然后接觸鍵盤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，解決靜電放電問題要從系統(tǒng)的角度考慮問題。上一章中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)有鍵盤的開關(guān)和電子線路。如果沒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

19、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810kV。有時(shí)電壓會(huì)更高，達(dá)到1215kV。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)

20、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

21、是器件。無(wú)論使用哪種屏障，靜電場(chǎng)的問題都不能解決。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)的問題和電荷注入問題，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

22、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，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、臂和鍵盤的電容產(chǎn)生的放電電流引起的。這些

23、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。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

24、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)有各種各樣的開口，即使沒有開口，不同部分結(jié)合處的縫隙也總是存在的）。

25、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

26、口可以看成縫隙天線，或?qū)㈤_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

27、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

28、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

29、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肼暋＠?，如果電纜中每一條線端接方式不是完全相同，電纜上的共模噪聲會(huì)在電路輸入端變?yōu)椴钅Ｔ肼?。雖然靜電放電解決方案貫穿整個(gè)系統(tǒng)，但是如果不將系統(tǒng)從概念上分解為若干部分，分析將是十分困難的。在后續(xù)的各章中，將討論固件（軟件）、線路板、電纜和系統(tǒng)其它部分的靜電放電對(duì)策。但是，一定要記住，系統(tǒng)問題絕不能通過(guò)僅對(duì)系統(tǒng)的一部分進(jìn)行處理來(lái)解決。系統(tǒng)的抗擾能力由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。因此，必須對(duì)系統(tǒng)的所有部分采取防護(hù)措施。3.固件和軟件設(shè)計(jì)原則看到這個(gè)題目后，許多讀者會(huì)吃驚，在對(duì)付靜電放電方面，除了眾所周知的硬件方法以外，

30、固件和軟件也起著重要的作用。雖然固件設(shè)計(jì)不能防止系統(tǒng)中器件的損壞，但是能夠有效地避免一些非永久性的損壞。通過(guò)適當(dāng)寫入的固件，不可恢復(fù)的設(shè)備故障（死鎖）通?？梢员苊猓苫謴?fù)的故障也可以減少10倍。如同硬件上的靜電放電措施一樣，抗靜電放電的固件也是有代價(jià)的。通常，程序會(huì)更大一些，這意味著需要更長(zhǎng)的編程時(shí)間和存儲(chǔ)單元。權(quán)衡得失時(shí)，要將這種代價(jià)與單純依靠硬件解決靜電放電問題時(shí)的成本做對(duì)比。在許多微處理器的應(yīng)用中，固件措施的成本要比硬件低。在編寫靜電放電抗擾性強(qiáng)的固件時(shí)一定要樹立的的一個(gè)觀念是“不確定性”。也就是，一定不能認(rèn)為端口、寄存器等的狀態(tài)是一定的。例如，當(dāng)使用一個(gè)索引寄存器時(shí)，應(yīng)該問一下，如果這

31、個(gè)索引發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)發(fā)生什么問題。如果僅是僅發(fā)生一些暫時(shí)的或無(wú)關(guān)緊要的問題，如發(fā)光二極管閃爍，則不需要什么特殊的處理。如果會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的問題，例如系統(tǒng)發(fā)生死鎖，則必須采取措施來(lái)避免問題的發(fā)生。固件（軟件）靜電放電措施可以分為兩類：* 刷新* 檢驗(yàn)和重新寫入下面從概念上討論每種措施，并給出一些例子。由于不可能預(yù)見到所有的特殊情況，要使固件能夠抵抗靜電放電，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解。雖然下面的討論主要針對(duì)固件，但是其中的許多概念對(duì)于軟件設(shè)計(jì)也是適用的。刷新：進(jìn)行刷新時(shí)，程序員不關(guān)心過(guò)去的情況，而僅是用確定的數(shù)據(jù)來(lái)保證今后的狀態(tài)。例如，在從8409的端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，一定要先向端口寫入數(shù)

32、據(jù)。即使這個(gè)端口從上次更新以后一直沒有改寫，也要進(jìn)行這個(gè)步驟。絕不要認(rèn)為端口上還保留著上次寫入的數(shù)據(jù)。刷新時(shí)需要考慮的其它因素包括：A) 按照一定的時(shí)間間隔打開中斷使能端（在8049中是RETR，在8051中是RETI）B) 當(dāng)端口用于串行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，刷新停止位的電平。C) 刷新鎖存器和端口輸出狀態(tài)。D) 定期讀取控制和選擇輸入，保證系統(tǒng)工作在適當(dāng)狀態(tài)。E) 對(duì)于8049和8051處理器，每個(gè)程序環(huán)路中至少有一條寄存器選擇指令。在進(jìn)行刷新時(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是刷新的順序。有時(shí)，刷新的順序十分重要。例如，在同步輸入/輸出中，數(shù)據(jù)線一定要在時(shí)鐘線之前刷新。否則，經(jīng)過(guò)刷新的時(shí)鐘會(huì)使數(shù)據(jù)位丟失。如

33、前所述，一定要考慮在錯(cuò)誤條件下每條指令的順序。檢驗(yàn)和復(fù)位：有時(shí)，單純刷新還是不夠的。在有些情況下，刷新甚至?xí)谏w一些嚴(yán)重的問題。在這些情況下，寄存器、端口等需要通過(guò)檢驗(yàn)來(lái)確認(rèn)其狀態(tài)。如果狀態(tài)不對(duì)，程序應(yīng)該試圖對(duì)其進(jìn)行更正。進(jìn)行復(fù)位（或初始化）時(shí)一定要非常謹(jǐn)慎。雖然系統(tǒng)的狀態(tài)可能有疑問，但是將系統(tǒng)徹底初始化并不是一個(gè)好方法。這會(huì)丟失所有過(guò)去的數(shù)據(jù)。應(yīng)該遵守的原則是，使系統(tǒng)處于最可能的狀態(tài)，而這個(gè)狀態(tài)應(yīng)該使問題的危害最小。如果有些關(guān)鍵的項(xiàng)目沒有最可能的狀態(tài)，則應(yīng)該將其狀態(tài)保留起來(lái)。這便于以后采用投票的方式來(lái)確定當(dāng)前狀態(tài)。通常，“3取2”的投票方式就可以了。檢驗(yàn)函數(shù)通?？梢苑譃?類。特別要做以下檢驗(yàn)

34、，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，需要初始化。A) 檢驗(yàn)程序流是否正確：1) 在主程序中，在子程序返回前，要定期檢驗(yàn)子程序堆棧指針，以確認(rèn)子程序在預(yù)定的范圍內(nèi)運(yùn)行。2) 如果不檢查堆棧指針（或在檢查堆棧指針的基礎(chǔ)上），可以使用“標(biāo)牌”來(lái)幫助發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行中的問題。當(dāng)進(jìn)入一個(gè)子程序時(shí)，保存標(biāo)牌，當(dāng)離開子程序時(shí)，檢查這個(gè)標(biāo)牌。3) 在禁用區(qū)域中安排“陷阱”碼，例如編碼表或無(wú)用的中斷矢量。當(dāng)程序要執(zhí)行這些碼時(shí)，就被抓?。ɡ缭谖词褂玫谋砀裰邪才欧祷刂噶睿?。為了檢查程序流是否正常，在程序中還應(yīng)該包含以下兩個(gè)子程序：4) 為了確認(rèn)主程序運(yùn)行正常，應(yīng)該有一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)停止和失效的計(jì)時(shí)程序。5) 主程序應(yīng)定時(shí)檢查上面的定時(shí)程序，

35、確認(rèn)其是否運(yùn)行正常（如果微處理器沒有內(nèi)置的計(jì)時(shí)器，可以使用外置的硬件“看門狗”電路。當(dāng)處理器沒有按時(shí)將計(jì)時(shí)器復(fù)位時(shí)，外置電路會(huì)將處理器復(fù)位）。B) 檢驗(yàn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和信息是否正確1) 定期對(duì)保留的項(xiàng)目進(jìn)行表決，如果沒有一致性，進(jìn)行初始化。特別，狀態(tài)標(biāo)志（特別是使能標(biāo)志）要保留有備份。除了備份以外，還可以使用糾錯(cuò)碼。2) 對(duì)于索引和其它一些十分重要的寄存器，在使用其所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)之前，要對(duì)其數(shù)值或范圍先進(jìn)行檢查。3) 如果關(guān)鍵數(shù)據(jù)很多而不適合備份，或者無(wú)法檢驗(yàn)所有信息時(shí)，可以用檢驗(yàn)和或周期性冗余檢驗(yàn)（CRC）來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)塊檢驗(yàn)。C) 對(duì)輸入和輸出進(jìn)行檢驗(yàn)1) 利用各種方法，如奇偶校驗(yàn)、檢驗(yàn)和等，對(duì)輸入進(jìn)

36、行檢驗(yàn)2) 確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)的合理性，有些數(shù)據(jù)可能有明顯的錯(cuò)誤。3) 對(duì)所有輸入級(jí)電平至少取樣兩次以實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的“軟件濾波”4) 通過(guò)使接收機(jī)響應(yīng)輸出級(jí)來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)輸出端5) 接收裝置應(yīng)能識(shí)別所有有效的輸入信號(hào)，如果接收裝置不能識(shí)別，那么發(fā)送裝置應(yīng)具有再傳輸能力。如果以上措施均不能正確檢查，則要求能自動(dòng)恢復(fù)。當(dāng)然，這種恢復(fù)能力通常不能與加電（或硬件）復(fù)位過(guò)程中的初始化程序不同，RAM不應(yīng)清除掉。實(shí)際上，由于靜電放電（ESD）而使錯(cuò)誤程序反向復(fù)位時(shí)，執(zhí)行硬件初始化程序不應(yīng)妨礙處理器的工作。這通?？梢酝ㄟ^(guò)檢查執(zhí)行硬件復(fù)位程序的標(biāo)志寄存器的優(yōu)先級(jí)來(lái)完成。如果已經(jīng)設(shè)定標(biāo)志，則應(yīng)避免完全復(fù)位。當(dāng)主程序執(zhí)行時(shí)，

37、此標(biāo)將被重新設(shè)定，一般僅被處理器的實(shí)際硬件復(fù)位所清除。特別地，通常應(yīng)按以下步驟來(lái)完成復(fù)位：1、復(fù)位子程序堆棧指針。2、復(fù)位FIFO指針。3、復(fù)位計(jì)數(shù)器。4、阻止可疑碼的傳輸。5、在復(fù)位完成時(shí)才允許中斷，然后再重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。6、復(fù)位中斷不確定的標(biāo)志7、刷新輸出。8、如果主機(jī)系統(tǒng)接受復(fù)位，最好使其發(fā)磅一代碼以通知復(fù)位已完成。那么，主機(jī)就可以采取措施來(lái)確保系統(tǒng)的 所有部分都諧調(diào)一致地工作。9、當(dāng)然，復(fù)位程序必須清除引起復(fù)位動(dòng)作的具體問題。上述大部分討論假定系統(tǒng)正處于執(zhí)行程序的狀態(tài)中（盡管不一定正確），如果程序包括表格，處理器可能會(huì)盡力去執(zhí)行這些單元值并將其作為指令。從理論上講，內(nèi)存單元值可能會(huì)引起

38、看門狗計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而使處理器進(jìn)入死循環(huán)。對(duì)于這種情況，可將邏輯分析儀接到地址總線，這樣有可能找到問題的癥結(jié)所在。循環(huán)期間的一個(gè)內(nèi)存單元值應(yīng)由一個(gè)返回指令來(lái)代替。這一般會(huì)使處理器跳出循環(huán)，于是程序可能會(huì)發(fā)生變化，因此，被替換的單元值便經(jīng)過(guò)特殊方式進(jìn)行了處理。（如果有可能的話，空閑的內(nèi)存單元地址應(yīng)用于控制這個(gè)返回操作碼。實(shí)際上，如前處述，將返回碼填滿所有空閑地址是極有可能的。）當(dāng)然，這個(gè)邏輯分析儀也能夠發(fā)現(xiàn)程序其他部分的死循環(huán)。然而，如利用帶有偽程序的單片微處理器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么地址總線將變得無(wú)效。這種情況下，在調(diào)試后，程序可以在仿真系統(tǒng)中具有“靜電放電加固”的性質(zhì)。一旦程序被調(diào)試好且運(yùn)行正

39、常的話，它就可隨意改變寄存器的值以模擬靜電放電效果。程序計(jì)數(shù)器是很關(guān)鍵的，應(yīng)被設(shè)置成隨意值。而且，子程序堆棧指針應(yīng)設(shè)置成變量值。通過(guò)在仿真過(guò)程中作這些變化且不影響結(jié)果，許多潛在的問題都可以得以發(fā)現(xiàn)。這種方法并不總是有效的，但帶有特殊問題的系統(tǒng)是不允許的。應(yīng)用這些原理，與固件相關(guān)的靜電放電問題相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)很少的。4.印刷線路板設(shè)計(jì)指南 本章及隨后幾章將討論靜電放電引起的系統(tǒng)問題的硬件解決措施。為了便于對(duì)系統(tǒng)硬件解決進(jìn)行討論，將系統(tǒng)上的靜電放電效應(yīng)劃分成以下三個(gè)部分：1. 靜電放電之前靜電場(chǎng)的效應(yīng)2. 放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)3. 靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)盡管印刷線路板（PWB，通常也稱之為PCB）的

40、設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對(duì)第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響。下面的討論將針對(duì)第三條所述的問題給出設(shè)計(jì)指南。通常，源與接收電路之間的場(chǎng)耦合可以通過(guò)下列方式之一減?。ㄟ@些通用方法也會(huì)在其它討論場(chǎng)的章節(jié)中提到）：1. 在源端使用濾波器以衰減信號(hào)2. 在接收端使用濾波器以衰減信號(hào)3. 增加距離以減小耦合4. 降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合5. 將接收天線與發(fā)射天線垂直放置以減小耦合6. 在接收天線與發(fā)射天線之間加屏蔽7. 減小發(fā)射及接收天線的阻抗來(lái)減小電場(chǎng)耦合8. 增加發(fā)射或接收天線之一的阻抗來(lái)減小磁場(chǎng)耦合9. 采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB板所提供的）耦合信號(hào)，使它們保持共

41、模方式在具體設(shè)計(jì)中，如電場(chǎng)或磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位，應(yīng)用方法7和8就可以解決。然而，靜電放電一般同時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這說(shuō)明方法7將改善電場(chǎng)的抗擾度，但同時(shí)會(huì)使磁場(chǎng)的抗擾度降低。方法8則與方法7帶來(lái)的效果相反。所以，方法7和8并不是完善的解決方案。不管是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)，使用方法1 6與9都會(huì)取得一定的效果，但PCB設(shè)計(jì)的解決方法主要取決于方法3 6和9的綜合使用。下面詳細(xì)闡述通過(guò)方法3 6和9解決問題的六條實(shí)踐法則及其原因所在。一、保持環(huán)路面積最小任意一個(gè)電路回路中有變化的磁通量穿過(guò)時(shí)，將會(huì)在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環(huán)路中通過(guò)的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小，這就說(shuō)明環(huán)路面

42、積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗(yàn)的困難之處是如何找到環(huán)路。每個(gè)人都知道圖16中所示的環(huán)路，但要正確識(shí)別圖17中所示的環(huán)路則比較困難。 圖16 簡(jiǎn)單的PCB回路 圖17 電源線與地線構(gòu)成的PCB回路與其試著去找出所有可能的環(huán)路，還不如采取下列步驟來(lái)減小環(huán)路面積：A、 電源線與地線應(yīng)緊靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。圖18示例說(shuō)明了電源線與地線同集成電路連接的幾種不同方法。圖18 電源與地形成的環(huán)路面積的減小B、多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)格狀。圖19和圖20說(shuō)明了這一點(diǎn)：在這個(gè)典型的PCB設(shè)計(jì)中，PCB的一面布垂直線，而另一面則布水平線（此圖中僅畫出地線）。如圖19所示，這個(gè)典型的地線結(jié)構(gòu)會(huì)使環(huán)路面積很

43、大，可以在雙面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積，如圖20所示。網(wǎng)格構(gòu)成的環(huán)路面積小得多，這將使感應(yīng)電流很低，出現(xiàn)問題的可能性也較小。插在底板（或母板）PCB上的PCB板，應(yīng)該有多個(gè)地線和電源線節(jié)點(diǎn)，且在連接器長(zhǎng)度方向上均勻布置。這將有利于減小整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)路面積。圖19 典型的PCB地線結(jié)構(gòu)圖20 地線網(wǎng)格上述步驟A和B既可減小電源與地之間的環(huán)路面積，同時(shí)也可減小環(huán)路天線的效能，下面講的步驟C和D將降低天線及信號(hào)線的效率。C、 并聯(lián)的導(dǎo)線必須緊緊地放在一起，最好僅使用一條粗導(dǎo)線。圖21表明了這一原則。這就是說(shuō)，地平面不應(yīng)有大的開口，因?yàn)檫@些開口如同平行導(dǎo)線一般，其作用等同于環(huán)路天線。圖21 縮短

44、平行路徑D、 信號(hào)線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。在每根信號(hào)線的旁邊安排一條地線。不過(guò)，這也許會(huì)產(chǎn)生很多平行地線。為了避免這個(gè)問題，如前所述，可采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單條地線。一個(gè)例子如圖22所示。在這里，假設(shè)由于某種原因信號(hào)線不能移動(dòng)。圖22 信號(hào)線與地線緊挨著布線可在與信號(hào)線相對(duì)的一面上布置地線面，如圖23所示。實(shí)際上，將空余PCB部分填以地線面是個(gè)好辦法 。圖23 信號(hào)線與地線或地平面的分層布線E、 特別敏感的器件之間的較長(zhǎng)的電源線或信號(hào)線應(yīng)每隔一定間隔與地線的位置對(duì)調(diào)一下。對(duì)調(diào)的含義是將一根導(dǎo)線從上移到下面，或從左邊移到右邊，另一根導(dǎo)線則做相反的調(diào)整。圖24表明了這種方法與減小環(huán)路

45、面積 的等同效果：對(duì)調(diào)有關(guān)導(dǎo)線后，只有較小的環(huán)路存在。F、 在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因?yàn)樵陟o電放電較低的頻率段，旁路電容的阻抗較低，在這些頻率處，旁路電容能有效減小電源與地間的環(huán)路面積。然而，在靜電放電較高的頻率段，由于寄生電感的影響，即使 是高頻電容，其作用也很有限。當(dāng)然，電源線與地線彼此靠得越近，濾波電容的效果就越不明顯。因?yàn)榄h(huán)路面積已經(jīng)足夠小了。圖25和26說(shuō)明了這種效果。即使在每個(gè)元件旁邊都安裝旁路電容器，圖25中的電路仍有很大的環(huán)路面積。圖25 安裝旁路電容器的大環(huán)路面積 圖26 安裝旁路電容的小環(huán)路面積圖26中所示的電路，由于將電源線與地線緊挨著放在一起布置，使得環(huán)路面積

46、大大減小。然而，即使將電源線與地線并列分布，較長(zhǎng)的導(dǎo)線仍會(huì)導(dǎo)致較大的環(huán)路面積。二、使導(dǎo)線長(zhǎng)度盡量短天線要具有較高的效率，其長(zhǎng)度必須是波長(zhǎng)很大的一部分。這就是說(shuō)，較長(zhǎng)的導(dǎo)線將有利于接收靜電放電脈沖產(chǎn)生的更多的頻率成份；而較短的導(dǎo)線只能接收較少的頻率成分。因此，短導(dǎo)線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中接收并饋入電路的能量較少。使導(dǎo)線盡可能短是一個(gè)比是環(huán)路面積盡量小更容易實(shí)現(xiàn)的措施。因?yàn)樗幌笮盘?hào)環(huán)路那樣不容易識(shí)別，環(huán)路面積的盡可能小不可能立即看到，而導(dǎo)線的長(zhǎng)短則是很顯然的。有關(guān)設(shè)計(jì)步驟如下：a) 使所有元件緊靠在一起，PCB設(shè)計(jì)人員不應(yīng)將元件過(guò)于分散而占用更多的面積；b) 在相關(guān)的元件組，相互之間具有很多互

47、連線的元件應(yīng)彼此靠得很近。例如，I/O器件是與I/O連接器盡量靠得近些；c) 如有可能的話，從線路板的中心饋送電源或信號(hào)，而不要從線路板邊緣饋送，如圖27所示，中間的饋送信號(hào)使大多數(shù)元件的連線最短。當(dāng)線路板為正方形時(shí)，這樣做的效果最明顯，當(dāng)線路板狹長(zhǎng)時(shí)，效果則不很明顯。但只要可能，還是應(yīng)該盡量這樣做。前面提出的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則主要針對(duì)靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)。但值得注意的是，前面介紹的降低天線效率的方法，這也有助于防止共模噪聲轉(zhuǎn)化成會(huì)帶來(lái)更大麻煩的差模噪聲，這在本章開始列出的一般性方法的第9條中已提及過(guò)。之所以有這樣的效果，是因?yàn)榍笆龅母鞣N步驟都有助于減小各種PCB回路的阻抗差異。例如，規(guī)則一中

48、的步驟D特別有用，因?yàn)檫@樣處理會(huì)使信號(hào)線與相關(guān)地線的回路阻抗幾乎相等。因此，串入到這兩條路徑中的共模噪聲在幅度上也很接近，產(chǎn)生的差模噪聲極小。另外，PCB設(shè)計(jì)也能采取措施減小由于靜電場(chǎng)和電荷注入所帶來(lái)的問題。下面講述的規(guī)則就與這個(gè)問題有關(guān)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)規(guī)則與前述規(guī)則相同。三、盡可能在PCB上使用完整的地線面（建議采用多層板）前面已提到過(guò)，地線面有助于減小環(huán)路面積，同時(shí)也降低了接收天線的效率。地線面作為一個(gè)重要的電荷源，可抵消靜電放電源上的電荷，這有利于減小靜電場(chǎng)帶來(lái)的問題。PCB地線面也可作為其對(duì)面信號(hào)線的屏蔽體（當(dāng)然，地線面的開口越大，其屏蔽效能就越低）。另外，如果發(fā)生放電，由于PCB板的

49、地平面很大，電荷很容易注入到地線面中，而不是進(jìn)入到信號(hào)線中。這樣將有利于對(duì)元件進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)樵谝鹪p壞前，電荷可以泄放掉。（然而，即使泄放到地的電荷也可能損壞器件，應(yīng)采取措施加以避免）四、加強(qiáng)電源線和地線之間的電容耦合電源線與地線間的耦合通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這在前面已經(jīng)提到過(guò)。A、 使電源線與地線靠得很近，或采用多層PCB板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生更多的寄生電容。B、 在電源線與地線之間接入高頻旁路電容（電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場(chǎng)合）。電源線與地線間的耦合將有助于減小電荷注入問題。兩個(gè)物體之間由各個(gè)物體上電荷量的差異造成的電壓取決于兩者（V=Q/C）間的電容。如果X庫(kù)

50、侖的電荷注入到電源線中，就會(huì)在電源線和地線間產(chǎn)生Y伏的電壓。如果電源線與地線間的電容增加一倍，X庫(kù)侖的電荷將僅僅產(chǎn)生Y/2伏的電壓。當(dāng)然，這個(gè)較小的電壓造成損壞的可能性也相應(yīng)減小。五、隔離電子元件與靜電放電電荷源在靜電放電效應(yīng)的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過(guò)隔離來(lái)解決。對(duì)于PCB設(shè)計(jì)，這主要指將電子儀器與可能的電荷源隔離開，也與連接器端口或感應(yīng)電流趨于集中的信號(hào)線相隔離?？刹扇∫韵聝蓚€(gè)步驟來(lái)進(jìn)行隔離：A、 使電子元件與PCB走線遠(yuǎn)離會(huì)暴露在靜電放電中的PCB部分（例如，操作人員可直接觸摸到的地方）。B、 使電子元件和PCB走線遠(yuǎn)離會(huì)暴露在靜電放電中的任意一個(gè)金屬物體（包括螺釘、機(jī)架

51、、連接器外殼等）。后一個(gè)要求小于下面的設(shè)計(jì)規(guī)則相關(guān)聯(lián)。六、PCB上的機(jī)殼地線的阻抗要低，隔離要好盡管PCB軌線上的阻焊層有利于隔離PCB走線，但阻焊層可能會(huì)導(dǎo)致插針孔發(fā)生電弧。A、 隔離機(jī)殼地線的最好方法是使之遠(yuǎn)離電子儀器。另外，如果機(jī)殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易于通過(guò)，就不會(huì)發(fā)生電弧。當(dāng)然，如此迅速的電荷泄放會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的場(chǎng)，但這比電荷通過(guò)電弧直接注入到電路中好得多。B、 機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不能超過(guò)其寬度的四或五倍。比這個(gè)比例更寬的地線僅能使其阻抗（電感）稍微減小，但是更窄的地線卻會(huì)使其阻抗大幅度增加。這個(gè)長(zhǎng)寬比例意味著機(jī)殼地線必須很短才行，否則當(dāng)?shù)鼐€增長(zhǎng)時(shí)，其寬度要很寬。設(shè)計(jì)規(guī)則的優(yōu)先級(jí)至此

52、，關(guān)于防止靜電放電危害的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)的討論已告一段落。當(dāng)然，有些時(shí)候，這些規(guī)則不能全部滿足。這時(shí)，必須有意識(shí)地對(duì)一些東西進(jìn)行取舍。本章開始部分提出三類潛在的靜電放電危害可用于確定處理靜電放電問題的一般順序。通常是采用以下順序來(lái)進(jìn)行考慮：1、 防止電荷注入到系統(tǒng)電路，因?yàn)檫@會(huì)造成損壞電路。2、 防止靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)帶來(lái)的問題。3、 防止靜電場(chǎng)。所幸的是，這些規(guī)則的大部分都是兼容的，在典型的PCB設(shè)計(jì)中，所有的問題都可以得到很好的解決。PCB設(shè)計(jì)指南總結(jié)對(duì)于靜電放電問題的解決方案，可按以下十二條規(guī)則來(lái)進(jìn)行（按優(yōu)先順序排列）：1、 PCB上的非絕緣機(jī)殼地線必須與其他走線相距至少2.2毫米。這適

53、用于連接到機(jī)殼地上的所有物體，包括軌線；2、 機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)其寬度的五倍；3、 使未絕緣的電路與操作人員可觸摸到的PCB區(qū)域或未接地的金屬物體相隔至少2厘米以上；4、 電源線與地線要么并排平行地放在PCB的同一層上，要么放在相鄰的兩層；5、 地平面和地線必須連成網(wǎng)格狀。在任意一個(gè)方向上，垂直地線與水平地線至少每隔6厘米連接一次。尤其是雙面PCB板，也就是說(shuō)，PCB板的第一層可以布水平的地線，而第二層可布垂直的地線，必須至少每隔6厘米放置一個(gè)過(guò)孔以將兩者相連（當(dāng)然，在小于6厘米的地方進(jìn)行連接是更好的，地平面比地線網(wǎng)格要好一些）；6、 所有信號(hào)線必須在地線面邊緣或地線以內(nèi)13毫米以上。地線

54、既可以布在與信號(hào)線相同的層，也可布在與之緊挨著的層上。如果信號(hào)線的長(zhǎng)度達(dá)到30厘米或其以上，則必須在其旁邊放置一根地線，在信號(hào)線上方或其相鄰面上放置地線也是可以的；7、 電源線與地線之間跨接的旁路電容器，彼此之間的距離不能大于8厘米（這樣每片集成塊可能會(huì)有多個(gè)旁路電容相連）；8、 相互之間連線較多的元件要靠在一起；9、 所有元件必須盡可能靠近I/O連接器（注意，首先應(yīng)滿足第3條）；10、將PCB的空余部分全部填以地線（應(yīng)注意在每隔6厘米的地方進(jìn)行連接以產(chǎn)生地線網(wǎng)格）；11、如可能的話，將饋送電源線或信號(hào)線從PCB板的邊緣中心處引出，而不應(yīng)從某一個(gè)角上引出來(lái)。12、對(duì)于特別敏感且較長(zhǎng)的信號(hào)線（3

55、0厘米或更長(zhǎng)），應(yīng)每隔一定間隔與其地線對(duì)調(diào)。注意：這些設(shè)計(jì)規(guī)則必須應(yīng)用到系統(tǒng)內(nèi)的所有PCB板上（例如主板及插在上面的板卡）。例如，當(dāng)應(yīng)用第2條時(shí)，機(jī)殼地線長(zhǎng)度包括母板與子板所有地線的長(zhǎng)度之和。5 電纜設(shè)計(jì)指南靜電放電（ESD）會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)效應(yīng)，電荷注入效應(yīng)和靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)，這在第四章已論述過(guò)。正確地布置系統(tǒng)電纜和進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)可有助于解決這三種效應(yīng)帶來(lái)的問題。本章中將討論如何處理系統(tǒng)電纜來(lái)解決靜電放電問題。在討論系統(tǒng)電纜的處理時(shí)，為方便起見，將第四章中所提出的三種靜電放電效應(yīng)重新整理成以下兩條效應(yīng)：* 輻射噪聲效應(yīng)* 傳導(dǎo)噪聲效應(yīng)輻射噪聲包括泄放電流產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)。傳導(dǎo)噪聲包

56、括直接的電荷注入以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)感應(yīng)的電流。當(dāng)然，在實(shí)際情況下，這些效應(yīng)并不是彼此獨(dú)立存在的。但為了簡(jiǎn)化討論，我們分別考慮每一種效應(yīng)。首先討論電纜的屏蔽或衰減及傳導(dǎo)問題，20kV的電壓在空氣中的放電距離可達(dá)2cm。所以，為了防止電荷注入到電子線路中，設(shè)計(jì)人員可以采取以下三種措施：A) 設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，采取措施使操作員不能到達(dá)距離電子線路2cm之內(nèi)內(nèi)，或接觸與電子線路相距2cm以內(nèi)的未接地金屬物件；B) 將所有電子電路用比空氣更好的絕緣物質(zhì)進(jìn)行絕緣處理；C) 提供一個(gè)除了電子線路以外的另一個(gè)電荷注入對(duì)象。上述措施1與2將在第六章中著重討論，因?yàn)檫@與屏蔽機(jī)箱的設(shè)計(jì)聯(lián)系很緊密。而措施3主要取決于系統(tǒng)電纜的設(shè)計(jì)。如第二章所述，靜電放