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静电放电干扰是如何引起的【EMC学习】

静电放电干扰是如何引起的【EMC学习】

【现象描述】

某产品是一通信转换器,其中一端的通信线连接器使用金属外壳的 RJ45 连接器,进行 IEC-61000-4-2 标准的静电放电测试时,需要对RJ45 头的金属外壳进行接触放电,放电等级根据该产品的产品标准为±6kV。当在该RJ45头上进行接触放电测试时,发现该转换器通信出错,具体表现是传输的数据出错。

该产品的部分原理图如图1所示。

静电放电干扰是如何引起的【EMC学习】 博主推荐 第1张

在检查 PCB后, 发现原理图中U2 的 28、27、25 脚与 U5的 4、1 脚及U4的 30 脚的互连信号线有较长的传输距离, 而且由于PCB 是四层板,因此该线在表层走线,试验中,在该四条信号线上分别并联上1nF(经过测试,该电容对信号质量的影响在接受范围内)的旁路电容后,静电放电测试顺利通过,无任何通信错误出现。

原因分析

静电放电时,通常通过以下几种方式影响电子设备:

(1 ) 初始的电场能容性耦合到表面积较大的网络上, 并在离ESD 电弧100 mm 处产生高达几 k V / m 的高电场。

(2) 电弧注入的电荷、电流可以产生以下损坏和故障 :

1)穿透元器件的内部薄的绝缘层, 损毁 MOSFET 和 CMOS的元器件栅极;

2)CMOS甜件中的触发器锁死;

3)短路反偏的 PN 结;

4)短路正向偏置的PN 结;

5)熔化有源器件内部的焊接线或铝线。

(3 ) 静电放电电流导致导体上产生的电压脉冲 ( U = L•di/ dt ), 这些导体可能是电源或地、信号线,这些电压脉冲将进入与这些网络相连的每一个元器件。

(4 ) 电弧会产生一个频率范围在1 – 500 MHz的强磁场, 并感性耦合到邻近的每一个布线环路中,在离 ESD 电弧100 mm 远处的地方产生高达几十A/ m的磁场。

(5) 电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上,这些信号线起到了接收天线的作用。

在此产品中当向 RJ45 的金属外壳进行接触放电时,RJ45 通过接地线接至参考地, 接触放电时会产生一个瞬态的大放电电流,该电流将在附近产生一个较大的电磁场,如果此时暴露在该电磁场中的器件或信号比较敏感,系统就会出现不正常现象。

而此产品中被干扰的信号线距 RJ45 上的静电放电点约 3 cm 的距离,可见, 在此案例中的问题主要是以上几种静电放电对于设备影响种类中的最后一种,即电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上,这些信号线起到了接收天线的作用。并联旁路电容后,一部分耦合到的能量被电容滤除,从而保护了器件接收的信号。

理论上本案例出现的问题还存在一种可能,那就是以上几种静电放电对于设备影响种类中的 (3 )。

只是很难用试验来区分到底是哪种方式影响了内部电路,这里也把这种可能出现的情况分析一下。本案例涉及的产品设有接地端子,ES D 测试时产品接地,接地端子与 RJ45 连接器的外壳及内部电 路的工作地都是相连的, 如图2所示, 图中C 表示放电点到接地端子的接地互连线与电路工作地之间的寄生分布电容, 假设为 2pF; Uab表示静电放电电流流过地线时在 A、B 两点之间产生的压降, 由于本产品结构特性的限制 , 以及测试时本身接地线(约1m) 所固有的阻抗,使A、B两点间的接地阻抗很难保证做到零。

静电放电干扰是如何引起的【EMC学习】 博主推荐 第2张

当有 0 . 4 A 以上的电流流过工作地时 , 如果工作地平面并不是很完整 , 存在一定的阻抗, 如存在过孔造成的缝隙,假设存在 1 cm 长的缝隙,则大概有10nH 的寄生电感L1。

此时寄生电感两端的压降为4 V,4 V 的电压对千5 V 供电的 TI L 电平器件来说足够造成误动作, 而此电压也仅仅是较低的估计值,实际情况下会产生更大的压降。

在信号与地之间并联旁路电容后,电容将高频噪声在信号与地之间形成“短路” ,从而保护了器件接收的信号。

解决办法和结论

在信号线上并联旁路电容,并在 PCB 上将此旁路电容放置于靠近芯片的信号引脚处。

经验与总结

(1) 对于长距离传输并且离静电放电点在空间距离上比较近的敏感信号线,建议进行旁路滤波处理, 或者在6 层以上的 PCB 中走内层。

(2) 产品结构设计时,要避免干扰共模电流流过电路板的工作地平面,如果不能避免共模电流流过,那么要保证工作地平面尽量完整,一般没有过孔、没有缝隙的完整地平面只有3 mΩ电阻。对于5 V的 TT L 电平来说,它至少可以承受 200 A 的共模电流; 对于3.3 V 的 TT L 电平来说,它至少可以承受130 A 的共模电流。

注:以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》

 

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本文标题:静电放电干扰是如何引起的【EMC学习】
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