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防止静电放电(ESD)问题的电缆设计
来自:连接中国  2006年7月21日10:33

0.引言
    随着科学技术的发展,高分子材料、微电子器件和电爆装置广泛应用于各个领域,静电造成的危害也日益受到人们的关注。静电放电不仅可以造成电爆装置和易燃、易爆气体的燃烧、爆炸,而且还极易干扰和破坏电子仪器设备。因此,电子设备的设计和开发更应该注意防ESD设计和防护加固技术。通常我们从内部软件设计、外型壳体、电路设计和印制电路板布局、连接电缆等几个方面来考虑电子设备设计中静电放电的防护。特别是对电子设备内部以及设备之间连接电缆进行合适的静电放电防护设计,将会对电子设备防静电放电起到非常好的效果。
1.静电放电的形式
    静电放电可分为接触式和非接触式放电,也就是电流注入放电和空气击穿放电2种形式。静电放电对电子设备的影响主要分为3种形式:①放电前带电物体产生的静电场对电子设备的影响;②放电时的直接电荷注入对电子设备的影响;③静电放电电流激发的电磁场对电子设备的影响。
    静电放电对设备产生的噪声形式可分为:辐射噪声和传导噪声。辐射噪声是由放电之前静电场和放电电流激发的电磁场所产生的。传导噪声包括直接电流注入和电磁场产生的感应电流。实际情况下,两种影响是同时存在的,但是为了分析简单,笔者将分别从辐射噪声和传导噪声的抑制来讨论电缆静电放电的防护措施。
2.抑制传导噪声
    对直接电流注入和电磁场感应产生的传导噪声,较好的抑制方式是对设备的各种连接电缆进行设计。电缆可以为传导噪声提供低阻抗的接地回路,以防止其干扰电子电路。并且这样也会有效减少静电放电前的静电场对电子设备的影响。
    为了产生一个低阻抗接地回路,首先要求设备的电缆具有较低阻抗值。对于大部分系统来说,电缆的阻抗已经比较低,但是在高频情况下,“趋肤效应”会使电缆的阻抗显著提高。因此,可以通过增加电缆导体的表面积(增大芯线的半径)在一定程度上减弱“趋肤效应”的影响。另一个影响电缆阻抗的因素是电缆连接点的接触腐蚀,其对电缆阻抗的影响比“趋肤效应”更加显著。可以通过以下2种方式来减少影响:
(1)连接点的金属材料的元素电位序尽量靠近。在潮湿的环境下,金属会因为互相接触的原因产生电动势(EMF)。不同的电动势就会引起电化腐蚀,腐蚀程度和连接点金属之间的EMF差越大,腐蚀的程度也就越大。下表列出了部分金属的元素电位序。

                                           常见金属电位序表

Metal

EMF/Volts

Metal

EMF/Volts

Mg(镁)

+2.37

Ni(镍)

+0.25

Be(铍)

+1.85

Sn(锡)

+0.14

Al(铝)

+1.66

Pb(铅)

+0.13

Zn(锌)

+0.76

Cu(铜)

-0.34

Cr(铬)

+0.74

Ag(银)

-0.80

Iron or Steel(铁或钢)

+0.44

Pt(铂)

-1.20

Cd(镉)

+0.40

Au(金)

-1.50

   注:金属的EMF和环境的关系很大,有些情况下金属的EMF值可能与表中不同。
    不同的环境允许连接点金属有一定的EMF差异。例如在恶劣的海洋环境下,不同接触金属材料之间的EMF不允许超过0.25V。通常环境下,连接点金属之间的不超过0.75V的EMF差异都是可以接受的。
(2)连接点阳极金属的裸露面积应当比阴极金属的大。发生接触腐蚀时,阴极金属为阳极提供电子,所以如果阴极金属比阳极金属的裸露面积大,腐蚀会比相反的情况严重。在涂有油漆的情况下,未涂的部分也符合这个原则。
在连接点除了接触腐蚀以外,还要考虑电解腐蚀和连接点金属氧化。当电流通过电解溶液从一种金属流到另一种金属时,就会发生电解腐蚀。连接点金属的EMF差并不是发生电解腐蚀的必要条件。在潮湿的环境下,并且连接点有电流流过,才会发生电解腐蚀。外壳接地和屏蔽接地回路在通常情况下不会有电流流过,所以这种情况下电解腐蚀较少发生。此外,还应尽可能地使用阴极金属以减少金属的氧化。因为在空气中阳极金属比较容易被氧化,阴极金属通常比阳极金属更加稳定。
    如果腐蚀和趋肤效应均得到有效处理,那么,另一个重要的问题是电缆的传输线效应。理想情况下,我们需要对电缆进行精确的阻抗匹配,使得ESD能量全部流入地。然而通常情况下精确的阻抗匹配并不容易实现,因此连接电缆一般都是阻抗不匹配的。尽管如此,如果接地回路的阻抗比较低,仍然可以使得大部分的ESD电流流入地,在一定程度上可以防止直接对电子电路的电弧放电。因为当线长是1/4波长的奇数倍时,即使一个完全开路的终端也会如同短路。同样,如果线长是半个波长的整数倍,一个短的电路终端也可看作短路。所以即使接地回路的终端阻抗不是完全匹配,在一些频率成分下,仍然表现出比较低的阻抗。
然而,对另外一些频率成分来说,接地回路会呈现相应的高阻抗。设备的外壳和内部电路之间就很有可能发生电弧放电。从而干扰甚至损害内部电路。
3.抑制辐射噪声
    首先面临的辐射问题是外壳——低回路自己产生的辐射。如前所述,外壳——低回路阻抗不匹配,而这种阻抗不匹配将会产生驻波,在系统电缆的周围产生电场和磁场分布。所以必须采取一些措施来减少产生的电磁场对系统内部其他信号线的影响。
(1)使用屏蔽电缆,并且将屏蔽层连接到外壳地上。根据趋肤效应,静电电流(高频)将趋于在屏蔽层的表面流动(这也是电缆在高频呈现高阻抗的原因)。屏蔽层的半径比普通电缆半径要大,故屏蔽层的表面积也相对较大,因而将会减少趋肤效应阻抗。如果假设屏蔽层比较厚,那么ESD电流将只在屏蔽层的外层流动,因而屏蔽层的内层仍然可以起到屏蔽作用。为了使屏蔽层起到更好的效果,屏蔽层的接地方式通常要采取两端接地。并且屏蔽层在外壳上的连接点和电缆在设备上的进/出口之间的距离应尽可能在4cm之内。电缆的裸露抽头部分长度也应小于4cm。
(2)ESD电流回路尽量不要和其他信号线一起使用铁氧体(ESD电流路径不流过任何铁氧体更好)。然而,如果线缆没有很好的屏蔽,或者屏蔽效果不显著,那么,在线缆束内部的各条线上将感应出相等的ESD噪声(即共模ESD噪声)。此时,使用共模铁氧体将会有很好的抑制作用。
(3)若在线缆上使用铁氧体磁环,并将其放置在信号线接受终端,则会增强噪声抑制效果。
    剪短电缆束中没有用到的芯线,能使屏蔽层将它们完全包住。裸露的芯线抽头(也称“猪尾”)相当于在屏蔽层的内部放置了一个感应外部噪声的天线,会将外部噪声引入到屏蔽层内部。另一个处理抽头的方法是将其并行地连接到其他信号线上。但是最好不要连接到屏蔽层上,因为那样相当于将屏蔽层上感应到的外部噪声引入到屏蔽层内部,从而干扰其他信号线。

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