對付靜電，與控制傳染疫情的原理類似，不外乎控制靜電產生源頭，切斷傳播途徑，增強設備本身的抗靜電能力。我們先看兩個跟防靜電有關的重要題目：大地和法拉第籠，然后介紹有哪些常用的手段，可以保護我們的設備免遭ESD的毒手。

先認識一下大地

對于我們腳下的大地，大家可能是再熟悉不過了。可我們對她又真的了解多少呢？這顆形成于46億年前的星球，經過漫長的演化，孕育出五彩斑斕的世界，她是奔騰不息生命的搖籃。在電子領域，大地也是一個非常重要的題目，但教材里對她的提及卻太少。

處于地球表面的大地本身帶負電荷，而大氣中含有凈的正電荷，平常我們雖然感覺不到，其實在空氣中，存在一個垂直指向地面的電場，大氣中的正電荷沿著電場注入大地。雖然比較微弱，但從整個地球來看，竟然達到1800A的電流。與之相反，云層和大地之間發生閃電時，會有負電荷流入大地，使系統總體上處于一個平衡的狀態。

我們可以簡單的認為，大地是一個可以容納無窮多電荷的海洋。當有帶正電荷的物體和大地連接時，會有帶負電荷的電子從大地涌入物體，與正電荷中和；當有帶負電荷的物體連接至大地時，物體上的負電荷，會釋放到大地中。所以對于靜電釋放來說，大地是一個最好的去處。

當然，一個懸浮于空中的金屬導體，也有容納電荷的能力，如果它上面再有一些尖刺，還會通過尖端放電，把電荷通過空氣慢慢釋放掉。但是這種懸浮物體對電荷的容納能力還是非常有限的。

法拉第籠

ESD Protection - 01

這是一個經典的實驗，現在我們可以帶著輕松的心情體驗一下。一個封閉的金屬籠，當用10萬伏的高壓靠近它時，會發生猛烈的放電，但是人在籠內是非常的安全，不會有任何危險。在1836年，英國物理學家法拉第，可是冒著生命危險做的這個實驗。他搭建了一個金屬外殼房子，然后用靜電發生裝置去電擊這個金屬房子外殼。

我們到現在，仍然依據此實驗原理，去做靜電防護。需要注意的是，金屬籠本身必須是良好的導體。比如飛機的金屬外殼，在搭接的地方要保證電阻非常小。這樣萬一被雷擊中了，也能保證機內設備和乘客幸免遇難。一個設備如果有封閉的金屬外殼，可以對內部的電路形成很好的保護。

但是考慮另外一種情形，如果有一根導線從法拉第籠內部穿出，情況恐怕就不妙了。試想一下你去跟法拉第籠中的小朋友握個手？估計是當場GG。現場設備，特別是工控領域，經常要有長長的線纜連接至別的設備。像下面這種，如果設備拖了一條電纜，此電纜接地，或者僅僅是靠近地面，就會形成一個放電的通路。即使是設備外殼接地，仍不能避免此通路上發生放電。所以要考慮在電纜進出設備的地方做防護，或者干脆直接隔離開，以避免形成放電通道。

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靜電如何搞破壞

靜電的積聚本身，不會產生什么危害，產生破壞的，是靜電放電的一瞬間。這個釋放的時間越短，則能量越集中，越容易產生破壞。我們可以想像一個氣球，吹的再大，只要沒爆就沒事兒。但是拿一根針扎一下，就會啪的一聲爆掉，這就有點兒破壞性了。

如果一個物體已經積聚了大量的靜電，這時候如果有一個放電通路，把它連接到了另外一個能容納電荷的物體，或者連接到了大地，這時候電荷就會在非常短的時間，在納秒(nS)級的時間內釋放掉，電流可能達到數十安，對放電路徑上的物體產生劇烈的破壞作用。如果靜電的電勢特別高，它會擊穿和鄰近物體之間的空氣，通過空氣放電釋放掉。這也是經常發生的一種破壞。

另外我們知道變化的電流，產生變化的電磁場，靜電釋放發生在一瞬間，頻率高，電流大，所以產生的高頻電磁輻射也很厲害。那么這種電磁輻射，就會通過空間耦合到敏感電路，對其形成破壞。

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如何對付靜電

靜電源頭的控制

對付靜電最好的辦法，就是不讓它產生。至少不能讓它積累到產生破壞的程度。比較常用的是離子風機，它能源源不斷地產生出正負離子，并吹送到需要消除靜電的地方。另外在產品的生產和運輸中，使用防靜電工作臺，專用的防靜電包裝等也能防止靜電的積聚。

切斷靜電傳導通道

當我們改變不了世界的時候，至少能改變我們自己。對于靜電也是這樣，大多數情況下我們能做的，是不讓靜電進入設備，加強設備的抗靜電能力。

不用花什么成本，但很有效的方法，是增大設備內部敏感電路板到外殼的距離。這里我們經常會忽視的是固定電路板的螺釘，這些螺釘一般都是金屬的，直接擰到外殼。這樣的情況下，雖然電路板離外殼挺遠，但靜電還是能沿著螺釘輕易的爬進電路板，功虧一簣。所以記得螺釘要和內部電路保持距離。

屏蔽，是阻止靜電進入設備最為有效的方法。由于靜電釋放的一瞬間，會產生強烈的電磁場輻射，所以我們還需要對電磁場輻射進行屏蔽。對于頻率低的磁場，主要是用高導磁率的材料做殼體，使磁場被引導，集中從殼體經過。對于高頻的磁場，要用導電性能良好的金屬，其原理是磁場在導體中會激發出渦流，此渦流產生反向的磁場，與源磁場互相抵消，從而達到對內部區域的屏蔽。如果需要同時對電場，高頻和低頻磁場做屏蔽，殼體需要選取復合屏蔽材料。屏蔽金屬殼最好要接地，這樣電荷可以泄放到大地，而且不但能屏蔽外部的電場和磁場，也能屏蔽內部的電磁輻射對外部的干擾。

靜電釋放Electro-Static Discharge (ESD)

對于設備外部的靜電，我們要把它堵在外面，在入口的地方用TVS(Transient Voltage Suppressor)管，把靜電泄放到機殼上。另一方面，對于已經進入設備的靜電，要把它緩慢釋放掉，緩慢釋放掉，緩慢釋放掉，重要的事情要說三遍。對于電路板設計，下面是比較常用的處理方式：

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電路板最外側是一圈保護地，通常用螺絲固定到金屬外殼，外殼再通過低電阻的導線連接至大地。這樣外部的靜電直接被泄放到大地，不會對內部電路板上的器件產生任何傷害。內部的信號地，就是我們電路信號的參考地，通過1M歐姆電阻連接至保護地，它可以把電路板信號地上積累的靜電緩慢釋放掉，電路板上的其它電路可以先把靜電釋放到信號地。1nF的電容，對信號地到保護地提供一個高頻的通路，電路板上通過高頻輻射感應產生的能量，可以通過它釋放到地。

看到這里我們可能會有兩個疑問：為什么保護地要留個缺口呢？我們為什么不把信號地直接和保護地連起來呢？這樣不是靜電更容易泄放到大地嗎？

第一個問題，如果把缺口連上，保護地就會成為一個環形的回路，如果有電磁場以垂直電路板的方向通過，則會在此回路中感應出電流，對電路板來說就是強干擾。對于通過空間傳播的電磁輻射干擾來說，最怕的就是電路板上存在電流可以流動的回路。如果我們留心，可以看到電路板上的保護地，如晶振周圍的保護地(Guard Ring)，也不是封閉起來的一圈，而是會留出缺口。

第二個問題，對于一些設備，如果有良好導電的金屬外殼，外部沒有長導線，信號地直接接機殼也是可以的。比如我們家里的電腦，主板上的地線就是直接連到機殼的。對于有長導線暴露在外，易于和大地之間形成放電通路的，就要考慮在引線接口處，用隔離阻斷放電通路，或者用靜電保護器件把靜電導入大地。

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需要注意連接至敏感器件的導線，如果此導線走線比較長，而且靠近靜電放電的通路，很容易被電磁輻射干擾。應盡量遠離干擾源，避免與放電通路平行走線，在導線串接小電阻，或者磁珠等，可以抑制干擾進入敏感器件。

最后想說，最重要的是實踐。我們設計一個產品時，首先要看國家標準，或國際標準的要求。還有就是不要迷信權威和教條，遇到關于ESD的疑惑時，我們不妨回到起點，就是這個設計，會不會導致大量電荷瞬間釋放的情況。

以上是我們對靜電保護的一些粗淺見解，你有不同的看法嗎？歡迎留言討論！

來源：TopSemic嵌入式

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