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EMC电阻的ESD能力研究,屏蔽材料应用知多少

Time:2022-01-07Number:743

电阻也会有静电能力?电阻会被静电打坏吗?很多人可能报有疑问,本文抛砖引玉的介绍一下电阻的静电能力。
在日常设计中我们很关注半导体器件的静电防护设计,但很少关注电阻是否需要静电防护,以及电阻是否也会被静电打坏而失效。答案是肯定的,不然本文也就没有意义了。 
静电有三种模型HDM:人体模型;MM:机器模型;CDM:器件放电模型。本文为分析方便,只选取人体模型作为研究,以下是人体模型的静电放电模型和放电波形(参考ISO10605)。
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图1.人体模型及放电波形


首先我们来定义一下何为失效,电阻的失效模式有开路、短路、漂移三种,只要出现任意一种则鉴定为失效,特别是漂移超过规格标定即失效。 
首先来确定电阻的几个重要参数:电压、电流、额定功率及脉冲功率。前三个我想不必赘述,重点说一下脉冲功率,以下图2是一款0603电阻的脉冲功率参数,单脉冲与重复脉冲功率。
以±8kV的人体模型为例:静电放电时间在ns级别,具体参考图1。而下图2中电阻的脉冲功率给出的时间参数最小是1us(10-6),差别不是特别大,在此可近视的取电阻能承受的脉冲功率为额定功率的70-90倍。(注:不同工艺的电阻不一样,在此处是针对性的具体分析)
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图2.0603电阻的脉冲功率

假设端口的电阻为10K到地,则电阻实际承受的脉冲功率为:
Pesd=8000V*8000V/10K=6400W >> 90*PR=9W
则电阻有失效风险,典型的失效是电阻会漂移。所以不要以为电阻放端口可以无忧,但其实风险很大,设计时需要注意并加上一定的防护措施。应该保证电阻的脉冲功率能够承受[敏感词]的静电放电功率。
EMC整改小技巧:
一、差模干扰与共模干扰
差模干扰:存在于L-N线之间,电流从L进入,流过整流二极管正极,再流经负载,通过热地,到整流二极管,再回到N,在这条通路上,有高速开关的大功率器件,有反向恢复时间极短的二极管,这些器件产生的高频干扰,都会从整条回路流过,从而被接收机检测到,导致传导超标。
共模干扰:共模干扰是因为大地与设备电缆之间存在寄生电容,高频干扰噪声会通过该寄生电容,在大地与电缆之间产生共模电流,从而导致共模干扰。
下图为差模干扰引起的传导FALL数据,该测试数据前端超标,为差模干扰引起:
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下图为开关电源EMI原理部分:
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图中CX2001为安规薄膜电容(当电容被击穿或损坏时,表现为开路)其跨在L线与N线之间,当L-N之间的电流,流经负载时,会将高频杂波带到回路当中。此时X电容的作用就是在负载与X电容之间形成一条回路,使的高频分流,在该回路中消耗掉,而不会进入市电,即通过电容的短路交流电让干扰有回路不串到外部。
对差模干扰的整改对策:
1. 增大X电容容值
2. 增大共模电感感量,利用其漏感,抑制差模噪声(因为共模电感几种绕线方式,双线并绕或双线分开绕制,不管哪种绕法,由于绕制不紧密,线长等的差异,肯定会出现漏磁现象,即一边线圈产生的磁力线不能完全通过另一线圈,这使得L-N线之间有感应电动势,相当于在L-N之间串联了一个电感)
 
下图为共模干扰测试FALL数据:
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电源线缆与大地之间的寄生电容,使得共模干扰有了回路,干扰噪声通过该电容,流向大地,在LISN-线缆-寄生电容-地之间形成共模干扰电流,从而被接收机检测到,导致传导超标(这也可以解释为什么有的主板传导测试时,不接地通过,一夹地线就超标。USB模式下不接地时,电流回路只能通过L-二极管-负载-热地-二极管-N,共模电流不能回到LISN,LISN检测到的噪声较小,而当主板的冷地与大地直接相连时,线缆与大地之间有了回路,此时若共模噪声未被前端LC滤波电路吸收的话,就会导致传导超标)
对共模干扰的整改对策:
1. 加大共模电感感量
2. 调整L-GND,N-GND上的LC滤波器,滤掉共模噪声
3. 主板尽可能接地,减小对地阻抗,从而减小线缆与大地的寄生电容。

二、产品电磁兼容骚扰源有:
1、设备开关电源的开关回路:骚扰源主频几十kHz到百余kHz,高次谐波可延伸到数十MHz。
 2、设备直流电源的整流回路:工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz;开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。
 3、电动设备直流电机的电刷噪声:噪声频率上限可延伸到数百MHz。
 4、电动设备交流电机的运行噪声:高次谐波可延伸到数十MHz。
 5、变频调速电路的骚扰发射:开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz。
 6、设备运行状态切换的开关噪声:由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz。
7、智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰:骚扰源主频几十kHz到几十MHz,高次谐波可延伸到数百MHz。
8、微波设备的微波泄漏:骚扰源主频数GHz。
 9、电磁感应加热设备的电磁骚扰发射:骚扰源主频几十kHz,高次谐波可延伸到数十MHz。
 10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波:骚扰源主频数十MHz到数百MHz,高次谐波可延伸到数GHz。
11、信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路:骚扰源主频数十MHz到数百MHz(经内部倍频主频可达数GHz),高次谐波可延伸到十几GHz。
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