静电放电的基本模型Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:19619745
- 上传时间:2023-01-08
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:231.40KB
静电放电的基本模型Word文档下载推荐.docx
《静电放电的基本模型Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《静电放电的基本模型Word文档下载推荐.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
下面,再把实例中的键盘参与到讨论中。
当人体接近键盘时,会在键盘上接近人体〔手臂〕部位感应出相反的电荷。
由于键盘是接地的,因此其充电进程是由电子在键盘外部的地线下活动而发生的〔没有接地的设备是由电荷重新散布来抵消人体电荷的〕。
在本例中,由于人体带负电荷,因此键盘会经过地线失掉电子而带正电荷。
人体与键盘之间的距离越近,键盘上相反的电荷越多。
键盘充电的速度与人体接近键盘的速度有关。
但是即使接近速度很快,充电电流的上升速率也是很低的,因此,在放电发作之前构成的充电进程并不会对键盘的任务形成任何影响。
比充电更重要的一个要素是放电之前存在与人体和设备之间的静电场。
这个电场会在设备上感应出不同的电压。
设备上不同部位的电位差假设太大,会形成集成电路等器件的损坏〔这意味着并不只要静电放电会带来危害〕。
我们将本例中的人体和键盘用图1所示的模型来表示。
图1人体和键盘静电放电系统的模型
图中各参数的含义如下:
C人体=人体和大地之间的电容
R人体=人体的电阻
L人体=人体的电感
C臂=人手臂与大地之间的电容
C臂键=人手臂与键盘之间的电容
R臂=人手臂放电途径的电阻
L臂=人手臂放电途径的电感
C指=人手、手指与键盘之间的电容
C键盘=键盘与大地之间的电容
R键盘=键盘到大地途径的电阻
L键盘=键盘到大地途径的电感
C指、C臂键与C键盘之间的电阻和电感很小,因此没有包括在这个模型中。
关于这个模型,需求强调以下5点:
1)虽然模型中用集总参数来描画,但是一定要清楚在实践中是散布参数。
〔在准确描画静电放电进程方面,传输线实际更适宜〕
2)C人体、C臂和C键盘通常称为自在空间电容,由于这两个电容元素〔身体和地球〕通常距离较远,接近自在空间的电容值。
留意,这并不是不变的,当人体接近大地时,人体的电容更大一些。
3)在C臂键盘与键盘之间或C臂与C人体与大地之间没有电感或电阻。
这意味着在设计用来模拟这个模型的静电放电发作器时要十分细心。
甚至一根导线的电感也会严重影响结果。
4)这个模型中的设备是接地的。
手持或袖珍设备中没有R键盘和L键盘。
5)虽然这个模型是针对人体-键盘模型提出的,但实践是十分通用的。
经过改动L、R、C,可以作为其它静电放电现象的模型。
前面的模型完整地描画了静电放电事情中发作的充电进程。
下面要讨论放电进程。
当人的手指接近键盘时,手指与键盘之间的场强会很强,招致空气击穿。
这首先构成一个离子导电通路,然后构成电弧,这时末尾了主要的放电进程。
虽然在电弧发作之前手指向键盘迫近的速度并不重要,但是在电弧发作时期手指迫近键盘的速度却十分重要。
电弧构成所需求的时间远比电弧的继续时间长。
由于在电弧构成进程中手指坚持向键盘移动,因此快速移动时比慢速移动时构成的电弧间隙小〔即使电压是相反的〕。
因此,关于快速移动,与电弧间隙的电压会很高。
由于更快的电流上升速率和更大的幅度,因此会发生更强的静电放电。
对前面的模型稍微停止修正,就可以用来描画静电放电进程。
如图2所示,基本模型坚持不变,仅在电弧放电途径上与C指并联了电阻和电感。
R电弧和L电弧并不是常数,在电弧发作进程中是发作变化的。
特别是R电弧的值,末尾时较大,随着空气电离水平的添加,越来越小。
图2包括了弧光的静电放电模型
这个模型虽然有一定的局限性,但是可以比拟确切地描画静电放电的进程。
当电弧构成时,首先使C指放电。
R电弧、L电弧和C指构成了一个阻尼震荡回路。
阻尼特性取决于R电弧,而回路的振荡频率取决于L电弧和C指。
C指的量值取决于手指和手的大小。
较小的手和较细的手指具有较小的C指,而从实际上讲,较小的C指具有较高的频率。
但是,较细的手指也会在较低的电压构成辉光放电。
辉光放电的发作会严重影响放电波形。
在这个模型中,辉光放电的离子流可以看成将C指、C臂键盘和C臂短路的旁路电阻。
在电弧发作之前,离子流提供的旁路会对C指充电。
这意味着,放电波形中的高频成分会增加。
因此,只要当辉光放电没有发作时,静电放电的最高频率才取决于R电弧、L电弧和C指的量值。
当CF放电时,由C键盘、C臂和C臂键盘构成的并联网络也末尾放电。
但是,这个并联网络的放电电流不只仅流过R电弧和L电弧,也流过R臂和L臂。
另外这个并联网络的电容大于C指。
这意味着C臂和C臂键盘的放电比C指独自放电要慢。
关于C人体,放电途径包括R人体、L人体、R臂、L臂和L电弧。
另外,C人体的放电途径还包括由R键盘、L键盘和C键盘构成的并联网络。
需求指出的是,在C指、C臂键盘和C臂的放电电流中,仅有很少一局部流过键盘的接地途径。
并且,经过C人体的放电电流中的任何高频成分都趋向流过C键盘,而不是键盘的地线。
键盘地线中的电流仅限于C人体放电电流中的低频成分。
R、L和C的值决议了放电电流的波形。
如前所述,C指的放电电流会发生很高的频率。
C臂和C臂键盘的放电发生较高的频率。
最后,C人体的放电发生较低的频率。
电容放电不只会发生上述频率范围内的电流,还会发生阻尼振荡。
依据R、L和C的详细数值,这种阻尼振荡可以是过阻尼,也可以是欠阻尼。
不同的波形如图3~7所示。
图3极高频率
图4高频
图5低频
图6欠阻尼
图7过阻尼
计算机仿真和实验都说明波形不是过阻尼就是阻尼很大的振荡,这取决于人体的详细位置和大小。
典型放电的完整波形如图8所示〔虚线表示有电晕放电影响时的波形〕。
图8典型人体静电放电电流波形
在这个波形中,低频成分转移的电荷比高频成分多,但是高频成分会发生更强的场。
由实验得出的各个参数的范围如下:
Tr〔上升时间〕=200ps至70ms
TS〔尖峰宽度〕=0.5ns至10ns
Tt〔继续长度〕=100ns至2(s
计算机模型计算结果说明,范围能够更宽。
不只电流波形在时间特性上差异很大,而且幅度也回在1A至200A范围内变化〔计算机模型计算的结果给出更宽的范围〕。
正是由于不同条件下静电放电的特性差异性很大,因此电子设备对静电放电的照应很难预测。
所幸的是,我们可以用统计的方法来处置这个效果。
一定要记住的一个理想是,静电放电时间发生的能量很大,频率很高〔高达5GHz〕。
另一个重要的理想是,C指、C臂键盘、C臂、L臂和R臂对高频的发生有很大影响。
过去运用的复杂RC模型疏忽了这一点。
图9是一个疏忽了人体实践状况的复杂RC模型。
这个模型把效果简化得太凶猛了,因此招致了许多不正确的结果。
图9静电放电的复杂RC模型
以上对充电和放电进程停止了完整的讨论。
但还有些事情需求说明。
许多实验说明,在一个静电放电事情中,会发作屡次放电。
这些放电陆续削弱,距离从10(s至200ms。
招致这种屡次放电的要素有2~3个。
请再看一下模型,假设R人体和L人体的值较大,那么即使C人体上还有电荷,C臂和C指也会发作完全放电。
当C臂和C指放电终了时,电弧会熄灭。
这时,C人体会对C臂和CF充电,直到空气再次被击穿。
结果再次发作电弧,C臂和CF末尾放电。
这个进程不时继续下去,直到C人体上的电荷放净。
C人体上的电荷主要集中在脚跟处,在脚底外表也会散布一些。
因此,R人体包括了皮肤电阻,其阻值是较大的。
但这只能解释屡次放电之间的距离为(s级的现象,更长的距离那么说不通。
放电距离要大于200ms,R人体和L人体的就必需很大。
人体似乎达不到这样高的数值。
因此形成更长距离的放电的缘由能够有两个,一个是鞋跟的介质吸收效应。
我们可以将鞋跟看成一个RC网络,其电阻很大。
这个RC网络向人体提供电荷。
另一个缘由是能够是由于人体向键盘移动。
如前所述,当没有足够的能量维持电弧通路时,电弧会熄灭。
直到手指距离键盘更近时,电弧才会再次发作。
这时电弧间隙较小,激起电弧所需求的能量也较低。
假设确实存在对C臂和C指的再次充电,那么即使没有屡次放电,充电也会发作。
这种再充电〔会招致屡次放电〕会影响电子设备。
假设人体再充电,设备〔本例中为键盘〕一定也再充电。
由于再充电电流的上升时间在(s数量级〔甚至更慢〕,因此大局部电流会经过设备的接地途径,而不是C键盘〔C键盘至通常在数十pf数量级〕。
关于(s数量级的快速再充电,流过地线的电流会对设备的任务发生一定的影响,构成与静电放电相关的频率较低的噪声源。
无论如何,当人体初始电荷较高时,屡次放电更容易发作。
屡次放电的现象可以解释另一个许多实验员观察到的现象。
这就是,较高电压的静电放电和较低电压的静电放电都比中等电压的静电放电形成的效果严重。
之所以会这样,是由于快上升时间和高尖峰信号才是形成效果的主要缘由。
电压较低时,辉光放电的作用很小,因此上升时间会很快,峰值电流也很大。
中等电压时,有辉光放电发作,这使上升时间添加,并减小了峰值电流。
电压较高时,虽然也会有辉光放电发作,但是会发作屡次放电。
在每个屡次放电序列中,会有一个以上的低电压放电,这会招致快速上升时间和高峰值电流,发生严重的效果。
2.静电放电对电子设备的影响
上一章,我们以人体走过地毯然后接触键盘为例树立了静电放电事情的模型。
下面仍用这个例子来讨论静电放电的影响,但得出的结论具有普通性。
虽然我们运用的例子很复杂,但是实践的大少数系统要复杂得多。
一定要记住,处置静电放电效果要从系统的角度思索效果。
上一章中树立的静电放电模型是将键盘看成一个独自的模块,具有集中的电容、电感和电阻。
实践上,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。
假设没有其它的放电途径或屏蔽,从人体发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到达8~10kV。
有时电压会更高,到达12~15kV。
许多文献上称,人体的电压可以到达30kV。
但这是假定身体的最小辉光放电放电半径为1厘米。
实践上,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,由于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,手指上的静电场会惹起介电物质的极化和键盘内电荷的重新散布。
导体内的电荷重新散布会加剧介电物质的机化,甚至强度会到达将介质击穿的水平。
这种现象在集成电路中尤为普遍,由于集成电路中的介质层很薄。
虽然静电场自身会形成效果,但放电的结果更严重,由于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这类外部器件之间。
在这些强电场的作用下,芯片会被击穿而损坏。
击穿发作后,随同着电荷的重新散布,会有较大的电流,这个电流会烧毁键盘内的电子器件。
处置电荷注入效果的一个方法是在人体和电子器件之间放置一块绝缘屏障。
只需这个屏障不被击穿,就不会发作放电。
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需有良好的绝缘,使它与器件之间不会发作放电。
这时,静电放电事情是向金属板注入电荷,而不是器件。
无论运用哪种屏障,静电场的效果都不能处置。
运用金属挡板时的不同点是,当放电发作后,电场是在挡板和器件之间,而不是在人体和器件之间。
要彻底处置静电场的效果和电荷注入效果,必需将系统〔包括电缆〕完全包围起来,或许将金属挡板接地。
当金属板与大地衔接后,金属板上的电荷会泄放掉,从而消弭静电场。
将系统完全包围起来的金属壳体可以保证没有任何电场抵达系统,即使壳体的外表面充溢了电荷也没有关系。
〔这相当于系统中一切的设备都有金属外客,电缆也是屏蔽的场所〕
金属挡板的方法常被用来维护设备,一旦装置好并接地后,其效果是很好的。
电流注入和电场的效果不只会形成设备立刻损坏,还会形成潜在的损坏,使设备在现场出现效果。
不幸的是,人们对低于数千伏的电场或放电是毫无发觉的,因此当他对设备形成损坏时,甚至他还不知道。
这个效果在第8章进一步讨论。
再回到前面的例子,假定键盘在制造和运输进程中是有良好维护的。
并假定键盘在一块金属板的下面,金属板与电路绝缘,并接地。
当放电发作时,电流流过这个金属板和地线。
这个电流分为两组,第一组,电荷重新散布电流使板上的电荷与手指和手臂上的电荷均等。
在这种场所,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。
这种场所,金属板不再是主要的电荷源,而仅是电流的一个途径。
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、臂和键盘的电容发生的放电电流惹起的。
这些高频电流是金属板内的电荷再散布电流。
另外,在这个模型中,由人体对地电容构成的放电电流主要招致低频成分,并携带了大局部放电能量。
这些低频电流是地通路电流。
金属板上的高频再散布电流的物理途径取决于人体和金属板的位置,并出现辐射状,如图10所示。
图10静电放电的辐射状电流
人体上的低频放电电流的途径是选择一条电阻最小的途径直接到地,如图11所示。
当然这个描画是近似的,实践状况要更复杂一些。
图11流向地的静电放电电流
在了束缚电电流的途径和频率的基础上,可以剖析它们对电子系统功用的影响。
在本例中,低频电流被旁路到地,因此键盘和系统的其它局部可以免受这种高能电流的损害。
关于设计而言,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〕发生的场依然会有严重的影响。
当放电电流在系统外部活动时,会对电流途径上的许多天线发生鼓舞。
这些天线的辐射效率主要取决于天线的尺寸。
静电放电发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构成的。
前面曾经说过,在键盘的下面有一块金属板,但是键盘上按键需求较大的开孔〔理想世界中的壳体很少是完全的屏蔽体,由于总会有各种各样的启齿,即使没有启齿,不同局部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同的,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〔更复杂的系统会包括更多的天线〕。
图12键盘上的静电放电电流
图13是电缆的状况
为了简化剖析,我们区分思索各个环节。
图13是电缆的状况。
电缆相当于一根直天线,场的方向如下图。
场的详细方向取决于人体所带电荷的极性。
由于人体所带电荷的极性通常是未知的,因此在前面的图中将方向省略。
图14给出了电缆上螺旋局部发生的场的方向。
这是一个典型的环天线。
另外,当拉伸螺旋电缆时,这个环天线会在不同的频率上谐振。
图14静电放电电流在电缆螺旋局部发生的场
依据尺寸不同,金属板上的启齿可以看成缝隙天线,或将启齿之间的导体看成独立的天线,它所发生的场与直电缆相似〔图15〕。
图15静电放电电流在金属板上发生的场
下面各图都说明静电放电发生的场既有电场〔E〕也有磁场〔H〕。
但是在近场区〔距离天线1/6波长以内〕,电场和磁场的相对强弱是不可预测的。
关于1GHz,1/6波长为5厘米。
这意味着,关于大少数静电放电频率而言,键盘内的大局部电子器件处于近场,大少数电子系统也是这种状况。
场的相对强度取决于许多要素,例如天线增益,但是通常,高阻抗天线更易辐射电场,低阻抗天线更易辐射磁场〔这是很自然的,由于电场是由电压发生的,磁场是由电流发生的〕。
通常高阻抗和低阻抗的天线都是同时存在的,因此两种场也都存在。
由金属板和电缆发射的场回被系统内的电子电路所接纳。
当静电放电电流发生的磁力线从天线辐射出来后,会穿过电路中的导体。
这个强度变化的磁力线在系统中的导体上发生感应电流。
异样,辐射电场也会在系统电路上感应出电压。
就象高阻抗天线更易辐射电场一样,高阻抗天线也更易接纳电场。
异样,低阻抗天线更易接纳磁场。
这意味着,无论系统电路的阻抗是高还是低,总会接纳一种场。
磁场会在低阻抗回路中感应出电流,电场会在高阻抗线上感应出电压。
虽然每个电路都不同,但有一些典型的阻抗组合。
电压和地电路通常是低阻抗的,输入电路既可以高阻抗也可以低阻抗。
这意味着,电源和地电路对磁场感应的电流敏感,必需采取措施。
另一方面,输入电路往往对电场更敏感,必需对感应电压采取措施。
而在输入电路中,电压和电流的效应都要思索。
在剖析静电放电的影响时,还要记住,场不只对系统内的电路会发生直接的影响,而且还会发生直接的影响。
这是经过场在导体上感应出电流或电压,然后导体将电流或电压传导到场自身达不到的中央发生的。
一个典型的例子是场在电缆屏蔽层上感应出电流。
假设电缆屏蔽层没有良好端接,感应电流会穿进原本屏蔽良好的机箱。
这时,虽然原始的场不能穿透机箱,但经过电缆上的感应电流,场还是会对机箱内的电路形成影响。
另一个需求留意的效果是共模噪声会转化为差模噪声。
这一点很重要。
由于假设共模噪声在整个系统中都坚持共模形状,那么对系统的实践影响很小。
不幸的是,由于幅度、相位和频率成分的变化不同,原始的共模噪声总是会在系统的某一点变为差模噪声。
例如,假设电缆中每一条线端接方式不是完全相反,电缆上的共模噪声会在电路输入端变为差模噪声。
虽然静电放电处置方案贯串整个系统,但是假设不将系统从概念上分解为假定干局部,剖析将是十分困难的。
在后续的各章中,将讨论固件〔软件〕、线路板、电缆和系统其它局部的静电放电对策。
但是,一定要记住,系统效果绝不能经过仅对系统的一局部停止处置来处置。
系统的抗扰才干由其最单薄的环节决议。
因此,必需对系统的一切局部采取防护措施。
3.固件和软件设计原那么
4.看到这个标题后,许多读者会吃惊,在对付静电放电方面,除了众所周知的硬件方法以外,固件和软件也起着重要的作用。
虽然固件设计不能防止系统中器件的损坏,,但是可以有效地防止一些非永世性的损坏。
经过适当写入的固件,不可恢复的设备缺点〔死锁〕通常可以防止,可恢复的缺点也可以增加10倍。
似乎硬件上的静电放电措施一样,抗静电放电的固件也是有代价的。
通常,顺序会更大一些,这意味着需求更长的编程时间和存储单元。
权衡得失时,要将这种代价与单纯依托硬件处置静电放电效果时的本钱做对比。
在许多微处置器的运用中,固件措施的本钱要比硬件低。
在编写静电放电抗扰性强的固件时一定要树立的的一个观念是〝不确定性〞。
也就是,一定不能以为端口、寄存器等的形状是一定的。
例如,当运用一个索引寄存器时,应该问一下,假设这个索引发作错误时,会发作什么效果。
假设仅是仅发作一些暂时的或有关紧要的效果,如发光二极管闪烁,那么不需求什么特殊的处置。
假设会发作很严重的效果,例如系统发作死锁,那么必需采取措施来防止效果的发作。
固件〔软件〕静电放电措施可以分为两类:
*刷新
*检验和重新写入
下面从概念上讨论每种措施,并给出一些例子。
由于不能够预见到一切的特殊状况,要使固件可以抵抗静电放电,设计人员必需对整个系统有一个片面的了解。
虽然下面的讨论主要针对固件,但是其中的许多概念关于软件设计也是适用的。
刷新:
停止刷新时,顺序员不关心过去的状况,而仅是用确定的数据来保证今后的形状。
例如,在从8409的端口读取数据时,一定要先向端口写入数据。
即使这个端口从上次更新以后不时没有改写,也要停止这个步骤。
绝不要以为端口上还保管着上次写入的数据。
刷新时需求思索的其它要素包括:
A)依照一定的时间距离翻开中缀使能端〔在8049中是RETR,在8051中是RETI〕
B)当端口用于串行数据输入时,刷新中止位的电平。
C)刷新锁存器和端口输入形状。
D)活期读取控制和选择输入,保证系统任务在适当形状。
E)关于8049和8051处置器,每个顺序环路中至少有一条寄存器选择指令。
在停止刷新时,另一个需求思索的要素是刷新的顺序。
有时,刷新的顺序十分重要。
例如,在同步输入/输入中,数据线一定要在时钟线之前刷新。
否那么,经过刷新的时钟会使数据位丧失。
如前所述,一定要思索在错误条件下每条指令的顺序。
检验和复位:
有时,单纯刷新还是不够的。
在有些状况下,刷新甚至会掩盖一些严重的效果。
在这些状况下,寄存器、端口等需求经过检验来确认其形状。
假设形状不对,顺序应该试图对其停止更正。
停止复位〔或初始化〕时一定要十分慎重。
虽然系统的形状能够有疑问,但是将系统彻底初始化并不是一个好方法。
这会丧失一切过去的数据。
应该遵守的原那么是,使系统处于最能够的形状,而这个形状应该使效果的危害最小。
假设有些关键的项目没有最能够的形状,那么应该将其形状保管起来。
这便于以后采用投票的方式来确定以后形状。
通常,〝3取2〞的投票方式就可以了。
检验函数通常可以分为3类。
特别要做以下检验,假设发现错误,需求初始化。
A)检验顺序流能否正确:
1)在主顺序中,在子顺序前往前,要活期检验子顺序堆栈指针,以确认子顺序在预定的范围内运转。
2)假设不反省堆栈指针〔或在反省堆栈指针的基础上〕,可以运用〝标牌〞来协助发现顺序运转中的效果。
当进入一个子顺序时,保管标牌,当分开子顺
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 静电 放电 基本 模型