ESD防护方法-LCD屏-定制LCD-深圳华之晶
2021-02-25

ESD是怎样产生的?


静电是一种处于静止状态的电荷。在干燥和多风的秋天,在日常生活中,人们常常会碰到这种现象:晚上脱衣服睡觉时,黑暗中常听到噼啪的声响,而且伴有蓝光;见面握手时,手指刚一接触到对方,会突然感到指尖针刺般刺痛,令人大惊失色;早上起来梳头时,头发会经常“飘”起来,越理越乱;拉门把手、开水龙头时都会“触电”,时常发出“啪、啪、啪”的声响,这就是发生在人体的静电。




(1)摩擦、剥离起电;——哪里有运动,哪里就有静电!




(2)感应起电;


感应起电是物体在静电场的作用下,发生的电荷上再分布的现象。比如:一个设备加电工作的过程中,产生了一定的电磁场,外围的物体受场的作用会感应出部分电荷,如显示器的屏幕带电现象。而容性起电就比较复杂了,它是由于已经具有一定电荷的带电体在与另一物体靠近、分离时。根据平行板电容公式c= εS/4πkd(S为金属片的正对面积,d为两金属片间的距离)。系统电容发生改变,由Q=CV(C为电容,V为电压)可知,携带一定电量的物体或人体上的静电电位将发生变化,这就会导致集成块等微电子器件的损坏。 定制LCD屏


利用静电感应原理,使导体带电的过程。A球原不带电,带电的B球使A球电荷发生转移,在接地情况下,经c、e、f等过程使A球带上电荷,谓之感应起电。 定制LCD屏



(3)电容的改变


lV=Q/C;lC=εA/d






ESD的特点


干燥环境更易产生静电:



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人体对静电的感知:


在3kV时,你能通过皮肤感知;


在5kV时,你能听见;


在10kV时,你能看见;



静电放电的特点:


高电位:数百至数千伏,甚至高达数万至数十万伏;(人体对3kV以下的静电不易感觉到)


低电量:静电多为微安级;(尖端瞬间放电除外)


放电时间短:一般为微秒级;一个ESD瞬态感应电流在小于1ns的时间内就能达到峰值(依据IEC 61000-4-2标准)


受环境影响大:特别是湿度;湿度上升则静电积累减少,静电压下降;


静电的危害

-环境安全

-危险场合的爆炸起火等

-对精密设备的工作要求

-产品性能及可靠性

-抗干扰能力,影响产品销售

-产品的潜在损伤


随着高科技的发展,静电所造成的后果已突破了安全问题的界限。

静电放电造成的危害是在电子、通信、航空以及一切应用现代电子设备、仪器的场合下导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。

静电放电电流有可能被直接耦合到电子设备的数据线,信号线,控制线等的总线上。在这种情况下,集成电路和特殊用途的集成电路就受到静电放电的影响。


在1970年以前,很多静电问题都是由于人们没有ESD意识而造成的,即使现在也有很多人怀疑ESD会对电子产品造成破坏。这是因为大多数ESD损害发生在人的感觉以下,因为人体对静电放电的感知电压为3KV,而很多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏,通常电子器件被ESD损坏后没有明显的界限,把元件安装在PCB上以后再检测,结果出现很多问题,分析也相当困难。 定制LCD屏


特别是潜在的损坏,即使使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化,所以很多电子工程师和设计人员都怀疑ESD,但近年试验证明,这种潜在损坏在一定时限以后,电子产品的可靠性明显下降。




ESD的危害


ESD失效:仿真人体带8kV静电放电,放电3次;放大3000倍; 定制LCD屏





硬损伤和软损伤




人体静电可以摧毁任何一个常用半导体器件。(以前实验室发现有人裸手拿板,就发一块坏板,让他维修。)




静电的基本物理特性为:吸引或排斥,与大地有电位差,会产生放电电流。


静电吸附灰尘,降低元件绝缘电阻(缩短寿命)。


静电放电破坏,使元件受损不能工作(完全破坏)。


静电放电电场或电流产生热,使元件受伤(潜在损伤)。


静电放电产生的电磁场幅度很大(达几百伏/米)频谱极宽(从几十兆到几千兆),对电子产品造成干扰甚至损坏(电磁干扰)ESD引起的器件击穿,是电子工业最普遍,最严重的静电危害。


静电对电子产品损害的特点隐蔽性:人体不能直接感知静电,除非发生静电放电。人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为2~3KV,所以静电具有隐蔽性。


潜在性:有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降,但多次积累放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。 定制LCD屏


随机性:电子元件什么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说,从一个元件产生以后,一直到它损坏以前,所有的过程都受到静电的威胁,而这些静电的产生也具有随机性,其损坏也具有随机性。


复杂性:静电放电损伤的实效分析工作,因电子产品的精,细,微小的结构特点而费时,费事,要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。



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控制ESD:静电不能被消除,只能被控制




控制ESD的方法:


1、堵;


从机构上做好静电的防护,用绝缘的材料把PCB板密封在外壳内,不论有多少静电都不能到释放到PCB上。  定制LCD屏


2、导;


有了ESD,迅速让静电导到PCB板的主GND上,可以消除一定能力的静电。




整机级的堵和导


1、外壳和装饰件:金属以及可导电的电镀材料等,属于容易吸引和聚集静电的材料;ESD要求很高的项目要尽可能避免使用这些材料;




2、必须使用导体材料时:结构上要事先预留有效而布局均匀的接地点;一般来说,顶针或者金属弹片的接地效果优于导电泡棉和导电布。  定制LCD屏




3、无法做接地处理的例如电镀侧键等,需要重点在主板上做特别处理;包括:


(1)增加压敏电阻、TVS或者电容等器件;


(2)预留GND管脚;


(3)板边露铜吸引静电放电;




4、外壳上的金属件,距离器件和走线必须大于2.2mm以上距离;




5、堆叠上避免器件裸露于孔、缝边;如果无法避免的话,则要在组装上想办法堵;常见的做法有粘贴高温胶带或者防静电胶带等阻隔;所有结构设计需要留有增加隔离片的空间;




电路板级的堵和导


1、增大PCB板材面积,以增加GND面积,增强其中和静电的能力;  定制LCD屏




2、实在很小的板子,则必须要有至少一层完整的GND层;并且要能够跟电池地脚保持良好的连接;我们常常因为成本无法做到留出完整的地层。




3、很小的电路板,因为电路板的中和电荷能力有限,则要多考虑从整机上堵,少考虑导;




4、器件选择上,要选用高耐ESD的器件;静电保护器件在选择时需要考虑其容性,避免不合适的容性导致其所保护信号线的信号本身的失效;




5、器件摆放时,容易被ESD影响的器件,尽量罩在屏蔽罩中;




6、屏蔽罩必须保证有效而分布均匀的接地!要较为直接的接到主地上,盲孔直接结合埋孔;要四周分布均匀地接地; 定制LCD屏




7、对IO口和键盘等容易暴露的部分电路,必须增加静电保护器件;




8、器件摆放上,必须遵守就近释放的原则,ESD保护器件应靠近IO和侧键等摆放;其次是跨在中间路上;避免靠近芯片摆放;这样能够减少ESD脉冲信号进入附近线路的瞬态耦合;虽然没有直接的连接,但是这种二次辐射效应也会让其他部分工作紊乱;




9、Layout走线必须遵守有效保护的原则;走线应该从接口处先走到TVS处,然后才能走到CPU等芯片处;远远地“挂”在信号线上的静电保护器件,会因为引线寄生电感过大而导致保护失效,让保护形同虚设;




10、TVS管的接地脚与主地之间的连接必须尽可能的短,减小接地平面的寄生电感; 定制LCD屏




11、TVS器件应该尽可能靠近连接器以减少进入附近线路的瞬态耦合。虽然没有到达连接器的直接通路,但这种二次辐射效应也会导致电路板其它部分的工作紊乱。




12、避免在板边走重要的信号线;例如时钟、复位信号;




13、主板上未使用的地方尽可能的铺成地;并且连接到主地上;多铺地减小了信号与地之间的间距,相当于减小信号的回路面积;(该面积越大,所包含的场流量越大,其感应电流也越大)




14、需要注意ESD对地层的直接放电有可能损坏敏感电路。在使用TVS二极管的同时还要使用一个或多个高频旁路电容器,这些电容器放置在易损元件的电源和地之间。旁路电容减少了电荷注入,保持了电源与接地端口的电压差。 定制LCD屏




15、电源走在主板中间比在板边好;地布局在板中间比板边好;




TVS的特性与工作原理

TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此,TVS可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压,以及感应雷所产生的过电压。图中所示为TVS的符号及伏安特性曲线。






USB


对于USB接口的应用,目前在影音及数据处理设备上得到广泛应用。在设计USB电路时,通常都会采用保护电路设计,见下图所示就是一个USB口的保护电路,这个电路中首先误用的就是TVS管。  定制LCD屏






RS485


RS485作为目前行业内最为常用的串行差分通讯方式之一,采用平衡发送,差分接收的方式,因此具有抑制共模干扰的能力,由于其具有通讯距离长(1200m以上),传输速率高(10Mbps),高的信噪比,控制方便,成本低,可以在一个单独的总线上实现多节点以及能够使用的收发器品种多等优点,已经越来越得到用户的肯定。




但是伴随着使用频率的增高,其遇到的问题也日益增加。由于RS485通讯传输线通常暴露于户外,日常生活中雷电和静电干扰已经成为RS485通信总线在实际工程经常遇到的问题,RS485收发器的工作电压较低,只有5V,元器件本身的耐压也较低,通常只有-7V~+12V,因此雷电等引入的过电压通常能够瞬间损坏RS485收发器,对通信系统造成遭到严重的毁坏;此外,静电电磁干扰也严重地影响通信总线的数据传输质量。  定制LCD屏






气体放电管GDT:直流击穿电压大于线路中的正常工作电压,放电管允许的通过电流超过或等于设计通过的最大电流即可。 定制LCD屏


瞬态抑制二极管TVS:通用信号传输线上TVS的击穿电压VBR应高于信号线上传输的信号电压,在此前提下, VBR应尽可能选得低一些,较低的VBR可使后端通信芯片得到可靠保护,并且具有较大的通流容量。


GDT的选择首先考虑其耐压耐流能力。TVS选择根据芯片的工作电压与耐压决定,一般略高于芯片最高工作电压。




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