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如何解決靜電放電對電子設備產(chǎn)生影響問題

   以人體走過地毯然后接觸鍵盤為例建立的靜電放電事件的模型例子來討論靜電放電的影響來得出的結(jié)論具有一般性。解決靜電放電問題要從系統(tǒng)的角度考慮問題。我們把建立的靜電放電模型是將鍵盤看成一個單獨的模塊，具有集中的電容、電感和電阻。實際上，這個模塊往往是一個殼體，殼體內(nèi)有鍵盤的開關和電子線路。如果沒有其它的放電路徑或屏蔽，從人體產(chǎn)生的靜電場和放電電流會直接影響鍵盤系統(tǒng)內(nèi)的電子器件。

　　靜電場的強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達到8~10kV。有時電壓會更高，達到12~15kV。許多文獻上稱，人體的電壓可以達到30kV。但這是假設身體的zui小輝光放電放電半徑為1厘米。實際上，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出現(xiàn)這種電壓的。人體上的zui高電壓應該是20kV。（衣服、頭發(fā)或鞋上會有更多的電荷，因為這些物質(zhì)導電性較差，因此受電暈的影響較小）

　　在本例中，當人的手指接近鍵盤時，手指上的靜電場會引起介電物質(zhì)的極化和鍵盤內(nèi)電荷的重新分布。導體內(nèi)的電荷重新分布會加劇介電物質(zhì)的機化，甚至強度會達到將介質(zhì)擊穿的程度。這種現(xiàn)象在集成電路中尤為普遍，因為集成電路中的介質(zhì)層很薄。

　　雖然靜電場本身會造成問題，但放電的后果更嚴重，因為這有直接注入電荷的效應。這時，原來存在于人體與設備之間的能量會轉(zhuǎn)移到IC這類內(nèi)部器件之間。在這些強電場的作用下，芯片會被擊穿而損壞。擊穿發(fā)生后，伴隨著電荷的重新分布，會有較大的電流，這個電流會燒毀鍵盤內(nèi)的電子器件。

　　解決電荷注入問題的一個方法是在人體和電子器件之間放置一塊絕緣屏障。只要這個屏障不被擊穿，就不會發(fā)生放電。另一個方法是在人體與器件之間放置一塊金屬擋板。當然，這個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發(fā)生放電。這時，靜電放電事件是向金屬板注入電荷，而不是器件。無論使用哪種屏障，靜電場的問題都不能解決。使用金屬擋板時的不同點是，當放電發(fā)生后，電場是在擋板和器件之間，而不是在人體和器件之間。要*解決靜電場的問題和電荷注入問題，必須將系統(tǒng)（包括電纜）*包圍起來，或者將金屬擋板接地。當金屬板與大地連接后，金屬板上的電荷會泄放掉，從而消除靜電場。將系統(tǒng)*包圍起來的金屬殼體可以保證沒有任何電場到達系統(tǒng)，即使殼體的外表面充滿了電荷也沒有關系。（這相當于系統(tǒng)中所有的設備都有金屬外客，電纜也是屏蔽的場合）

　　金屬擋板的方法常被用來保護設備，一旦安裝好并接地后，其效果是很好的。電流注入和電場的問題不僅會造成設備立即損壞，還會造成潛在的損壞，使設備在現(xiàn)場出現(xiàn)問題。不幸的是，人們對低于數(shù)千伏的電場或放電是毫無察覺的，因此當他對設備造成損壞時，甚至他還不知道。這個問題在第8章進一步討論。

　　再回到前面的例子，假設鍵盤在制造和運輸過程中是有良好保護的。并假設鍵盤在一塊金屬板的下面，金屬板與電路絕緣，并接地。當放電發(fā)生時，電流流過這個金屬板和地線。這個電流分為兩組，*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。在這種場合，金屬板是電荷源。第二組，接地線上的電流會使人體上的電荷與大地的電荷均等。這種場合，金屬板不再是主要的電荷源，而僅是電流的一個路徑。

　　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。這些高頻電流是金屬板內(nèi)的電荷再分布電流。另外，在這個模型中，由人體對地電容形成的放電電流主要導致低頻成分，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。 

　　人體上的低頻放電電流的路徑是選擇一條電阻zui小的路徑直接到地，當然這個描述是近似的，實際情況要更復雜一些。

　　在了解放電電流的路徑和頻率的基礎上，可以分析它們對電子系統(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。對于設計而言，防止電荷注入和損壞是zui基本的要求。但是，這些電流（特別是高頻電流）產(chǎn)生的場仍然會有嚴重的影響。

　　當放電電流在系統(tǒng)內(nèi)部流動時，會對電流路徑上的許多天線產(chǎn)生激勵。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)。由于四分之一波長天線是效率zui高的（即使1/16波長的天線，其輻射也是十分可觀的），因此1.5cm ~ 150m長的導線都可以是的天線。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)說過，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)實世界中的殼體很少是*的屏蔽體，因為總會有各種各樣的開口，即使沒有開口，不同部分結(jié)合處的縫隙也總是存在的）。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)成了一個環(huán)天線、縫隙天線和直線天線的組合