静电放电对电子设备的影响

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  以人体走过地毯然后接触键盘为例建立的静电放电事件的模型例子来讨论静电放电的影响来得出的结论具有一般性。解决静电放电问题要从系统的角度考虑问题。我们把建立的静电放电模型是将键盘看成一个单独的模块，具有集中的电容、电感和电阻。实际上，这个模块往往是一个壳体，壳体内有键盘的开关和电子线路。如果没有其它的放电路径或屏蔽，从人体产生的静电场和放电电流会直接影响键盘系统内的电子器件。
　　静电场的强度取决于充电物体上的电荷数量，和与其它电荷量不同的物体之间的距离。人体上的电压通常会达到8~10kV。有时电压会更高，达到12~15kV。许多文献上称，人体的电压可以达到30kV。但这是假设身体的最小辉光放电放电半径为1厘米。实际上，人体上许多部位的半径小于1厘米，因此在通常条件下是不会出现这种电压的。人体上的最高电压应该是20kV。（衣服、头发或鞋上会有更多的电荷，因为这些物质导电性较差，因此受电晕的影响较小）

　　在本例中，当人的手指接近键盘时，手指上的静电场会引起介电物质的极化和键盘内电荷的重新分布。导体内的电荷重新分布会加剧介电物质的机化，甚至强度会达到将介质击穿的程度。这种现象在集成电路中尤为普遍，因为集成电路中的介质层很薄。

　　虽然静电场本身会造成问题，但放电的后果更严重，因为这有直接注入电荷的效应。这时，原来存在于人体与设备之间的能量会转移到IC这类内部器件之间。在这些强电场的作用下，芯片会被击穿而损坏。击穿发生后，伴随着电荷的重新分布，会有较大的电流，这个电流会烧毁键盘内的电子器件。

　　解决电荷注入问题的一个方法是在人体和电子器件之间放置一块绝缘屏障。只要这个屏障不被击穿，就不会发生放电。另一个方法是在人体与器件之间放置一块金属挡板。当然，这个金属挡板与器件之间必须有良好的绝缘，使它与器件之间不会发生放电。这时，静电放电事件是向金属板注入电荷，而不是器件。无论使用哪种屏障，静电场的问题都不能解决。使用金属挡板时的不同点是，当放电发生后，电场是在挡板和器件之间，而不是在人体和器件之间。要彻底解决静电场的问题和电荷注入问题，必须将系统（包括电缆）完全包围起来，或者将金属挡板接地。当金属板与大地连接后，金属板上的电荷会泄放掉，从而消除静电场。将系统完全包围起来的金属壳体可以保证没有任何电场到达系统，即使壳体的外表面充满了电荷也没有关系。（这相当于系统中所有的设备都有金属外客，电缆也是屏蔽的场合）

　　金属挡板的方法常被用来保护设备，一旦安装好并接地后，其效果是很好的。电流注入和电场的问题不仅会造成设备立即损坏，还会造成潜在的损坏，使设备在现场出现问题。不幸的是，人们对低于数千伏的电场或放电是毫无察觉的，因此当他对设备造成损坏时，甚至他还不知道。这个问题在第8章进一步讨论。

　　再回到前面的例子，假设键盘在制造和运输过程中是有良好保护的。并假设键盘在一块金属板的下面，金属板与电路绝缘，并接地。当放电发生时，电流流过这个金属板和地线。这个电流分为两组，第一组，电荷重新分布电流使板上的电荷与手指和手臂上的电荷均等。在这种场合，金属板是电荷源。第二组，接地线上的电流会使人体上的电荷与大地的电荷均等。这种场合，金属板不再是主要的电荷源，而仅是电流的一个路径。

　　在前面的静电放电模型中，放电脉冲中的高频成分主要是由手、臂和键盘的电容产生的放电电流引起的。这些高频电流是金属板内的电荷再分布电流。另外，在这个模型中，由人体对地电容形成的放电电流主要导致低频成分，并携带了大部分放电能量。这些低频电流是地通路电流。金属板上的高频再分布电流的物理路径取决于人体和金属板的位置，并呈现辐射状。

　　人体上的低频放电电流的路径是选择一条电阻最小的路径直接到地，当然这个描述是近似的，实际情况要更复杂一些。

　　在了解放电电流的路径和频率的基础上，可以分析它们对电子系统性能的影响。在本例中，低频电流被旁路到地，因此键盘和系统的其它部分可以免受这种高能电流的损害。对于设计而言，防止电荷注入和损坏是最基本的要求。但是，这些电流（特别是高频电流）产生的场仍然会有严重的影响。

　　当放电电流在系统内部流动时，会对电流路径上的许多天线产生激励。这些天线的辐射效率主要取决于天线的尺寸。静电放电产生的频率的波长可以在数厘米至数百米的范围内。由于四分之一波长天线是效率最高的（即使1/16波长的天线，其辐射也是十分可观的），因此1.5cm ~ 150m长的导线都可以是高效的天线。下面还以键盘为例，看一下电子系统中的天线是怎样形成的。

　　前面已经说过，在键盘的上面有一块金属板，但是键盘上按键需要较大的开孔（现实世界中的壳体很少是完全的屏蔽体，因为总会有各种各样的开口，即使没有开口，不同部分结合处的缝隙也总是存在的）。并且，通常电缆是与金属板联在一起的，电缆往往呈螺旋状，如图12所示。金属板与连到大地的电缆共同构成了一个环天线、缝隙天线和直线天线的组合