第１４卷第６期 Ｖ０１．１４ ＮＯ．６ ２０１１年６月 鼋ｉ圣彳乏 左阙 Ｊｕｎ ２０１ １ ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ 控制器电源的ＥＳＤ防护 钱立国 宋振涛杨茜 （皇明太阳能股份有限公司，山东德州２５５０００） 摘 要：本文通过静电的放电（ＥｓＤ）危害案例，与当前控制器线路板的静电发生比较，分析得出控制器电路 以及生产中的静电发生量及其变化规律。据此设计了控制器电源的静电防护方案，并列出线路板生产工 艺中的静电防护措施。 关键词：太阳能系统控制器；静电释放（ＥＳＤ）；静电防护 ＥＳＤ Ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＱＩＡＮ Ｌｉｇｕｏ，ＳＯＮＧ Ｚｈｅｎｇｔａｏ，ＹＡＮＧ Ｑｉａｎ （Ｈｉｍｉｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｅｚｈｏｕ ２５３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＥＳＤ）ｈａｚａｒｄ ｃａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ’ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄｓ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’Ｓ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄｓ’ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｌｉｓｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＭ８６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：０２１９—２７１３（２０１１）０６—００４８—０４ ０引言 有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压 力、摩擦系数和分离速度等。静电电荷会不断积 ＥＳＤ是电荷的快速中和，所有的物质都由 累，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放 原子构成，原子中有电子和质子。当物质获得或 或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。电 失去电子时，它将失去电平衡而变成带负电或正 介质被击穿后，静电电荷会很快得到平衡，这种 电，正电荷或负电荷在材料表面上积累就会使物 电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的 体带上静电。电荷积累通常因材料互相接触分离 电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超 而产生，也可由摩擦引起，称为摩擦起电。 过２０Ａ，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏 感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通微 收稿日期：２０１０－－０３－１８ 安或毫安级电流的电路造成严重损害，不经意间 ４８ 技术应用・ＥＤＳ防护 将昂贵的电子器件击穿，造成电子工业年损失达 上百亿美元。在兴航工业，静电放电造成火箭和 卫星发射失败，干扰兴航飞行器的运行。 电ＥＳＤ器件对集中过来的静电进行最彻底地有效 释放。 （３）应该重点考虑受保护器件的地线走向问 题，是否也是全部纳入受保护的范畴，特别是金 属外壳或中框金属接地的主机；主要注意受保护 器件有多个地线端口时，尽量坚持唯一通道原 我国近年来在化工和电子类企业曾发生３０多 起因静电造成了严重火灾爆炸事故。 工业上静电学研究主要的是静电防护技术， 如电子工业、石油工业、兵器工业、纺织工业、橡 胶工业以及宇航与军事领域的静电危害防护，寻求 则，把他们统一在一起，设计成单一连线出口和 大面积地线连接，在连接处增加一个ＥＳＤ防护器 减少静电造成的损失，太Ｉｔｌｉ热水器及光伏光电的 普遍应用，使其控制器的功能和制作材料多元化。 一方面，控制器使用的外壳，即电阻率很高的高分 子材料如塑料、橡胶等的制品的广泛应用以及现代 生产过程的高速化，使得静电能积累到很高的程 度。另一方面，静电敏感材料的生产和使用，如轻 质粘合剂，固态电子器件等，使得静电放电的效应 越来越明显，如何做好太阳能系统的静电防护已经 成为一个迫切需要解决的问题。 １太阳能热水系统控制器上的ＥＳＤ防护 一个好的太阳能控制系统应该在电路设计的 最初阶段就考虑到ＥＳＤ干扰，在选用ＥＳＤ防护器件 时应从以下几个方面综合考虑：考虑到瞬态电压 会在正、负两个方向发生；考虑到对信号增加的 电容效应和电阻效应必须控制在允许范围内；考 虑体积因素。 在设计ＰＣＢ时，增加ＥＳＤ保护器件时，所有 ＥＳＤ保护器件的公共接口的布线都应该尽量大面 积，并尽量以最短的走线距离来接入保护器件。 也就是说产品的地线设计要尽量做到面积大，线 距短。 （１）将保护器件放置在连接信号线的端口近 处是最为有效的方法。它应该是第一个遭遇ＥＳＤ 瞬变的元件，能够在ＥＳＤ事件的发生之前有效抑 制。在实际可行的情况下，任何需要保护的芯片 均应尽可能地远离ＥＳＤ保护器件。另一个需要考 虑的布局问题是从电路板迹线至ＥＳＤ抑制器的距 离。目标是将该距离降至最小。 （２）在设计ＰＣＢ上ＥＳＤ器件的介入端口，布线 应尽量形成锐角。因为静电往往容易集中到物体 的尖角，然后我们就可以通过安置在此处的防静 件（另外一端连接电源ＶＣ Ｃ端口，电源端的多个连 线也尊崇地线统一及锐角原则）否则在做静电反向 脉冲测试时，无法达到正向脉冲的等级。 （４）控制器外壳（框架）的地应是ＥＳＤ基准，而 不是信号（数字）地。目的是把ＥＳＤ从信号环境中转 移出去。使ＥＳＤ保护器件以机壳的地为基准，则 可免受那些不希望的噪声效应（如接地反跳）的影 响。目标是尽量保持”干净”的信号（数据）环境。 （５）印制电路板布线是抗瞬态冲击设计的重要 方面。保护通道中的寄生电感会产生电压尖峰， 量值会超过ＩＣ的引脚所能承受的极限值。根据 ＩＥＣ６１０００－４－２标准，ＥＳＤ产生的瞬态冲击可能在 ｌｎｓ内达到峰值，在ｌｃｍ长的引线上就会产生８０Ｖ 电压、１０Ａ电流的脉冲。因此，设计时必须努力减 小被保护信号线以及信号回路（地线）上的寄生电感 量。可采取的措施有：尽量缩短引线长度，加大 信号线宽度，印制导线敷锡等。 （６）实际上，太阳能热水系统都安装电加热和 传感器，两者都是从室外接入控制器，ＥＳＤ变得 越发重要。理想的操作方式是穿绝缘服使用专用 工具安装和接线。 本文设计的是通过一定数量的瞬间电压抑制 器（ＴＶＳ）器件增加保护。ＴＶＳＺ．极管放置在输入端 和地之间。当输入电压达到引起它们“开路”或 导通的水平时，它们能迅速把阻抗降低。输入威 胁被部分地反射回去，而平衡被部分地通过导通 的ＴＶＳ器件分流到地上。所以，在电路中只有更 小比例的威胁能够达到敏感的ＩＣ。 ＴＶＳ可以迅速响应到来的浪涌电压。浪涌电 压在０．７ｎｓ达到８ｋＶ（或更高）峰值时，ＴＶＳ器件的 触发或调整电压（与输入线平行）足够低，相当于一 个有效的电压分配器。 ４９ 第１４卷第６Ｎ ２０１１年６月 奄涤彳支 ／壶阂 ＰｏＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖｏ１．１４ ＮＯ．６ Ｊｕｎ ２０ｌ １ 电路图如图ｌ。 图１静电保护电路原理 不管选择怎样的ＴＶＳ器件，它们在电路板 上的布局非常重要。ＴＶｓ布局前的导线长度应该 减到最小，因为快速（０．７ｎｓ）ＥＳＤ脉冲可能产生导 致ＴＶＳ保护能力下降的额外电压。ＥＳＤ抑制器件 ＰＣＢ布局方案应该是：放置在被保护的ＩＣ之前， 但尽量与连接器／触 ￣（ＰＣＢＮＵ尽量靠近；放置在与 信号线串联任何电阻之前；放置在包含保险丝在 内的过滤或调节器件之前；放置在ＩＣ之前的其他 可能有ＥＳＤ的地方。如图２所示。 另外，快速ＥＳＤ脉冲可能在电路板上相邻（平 行）导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由 于将不会得到保护，因为感应电压路径将成为另 一条让浪涌到达ＩＣ的路径。因此，被保护的输入 线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁 边。 ＥＳＤ电路保护还包括屏蔽，防止大的ＥＳＤ电 流冲击内部电路。ＥＳＤ冲击金属屏蔽外壳时，最 初几毫秒会比保护地电压高出许多，屏蔽外壳电 压会随着ＥＳＤ电荷的转移而下降，所以最初的几 毫秒内会对内部电路产生二次ＥＳＤ冲击，所以仅 仅使用外部屏蔽还不够，内部电路与屏蔽外壳必 ５０ 须共地，或者把内部电路进行介质隔离。 ２太阳能系统控制器的生产工艺和太阳能 系统安装中的静电防护 从生产工艺方面，有两种静电防护途径； ①消除产生静电的材料与过程。通过材料的选 用，使静电产生的途径不存在了或者减少了，从 源头消除了静电放电的产生与积累，是静电防护 的有效的基本方法之一。②泄放或中和防止静电 放电。因为产生静电的所有途径是不可能完全消 除的，所以我们需要安全地泄放或中和那些要发 生的静电，防止静电放电的发生。 １）防静电操作系统 在进行静电敏感器件的操作时，工作台上 应铺设具有静电导电和静电耗散功能的材料制成 的防静电台垫。使所有与器件接触的端子、工 具、仪器仪表、人体达到一致的电位，并通过接 地使静电能迅速泄放。 ２）生产过程的静电防护 线路板从焊接到应用的过程较复杂，就防静 电而言，是一个综合治理的过程，应渗透到生产 的各个环节，并根据各生产环节的工艺要求，提 出不同的对策，以达到对器件的有效静电防护。 对固定单个设备（如固晶机、键合台、测试设各、 波峰焊设各等）的工艺要求： 图２静电保护电路ＰｃＢ板 （１）设各应良好接地； （２）有必要的设各周围要铺设防静电地垫； （３）操作者穿戴防静电衣、帽、腕带等； （４）必要时，在静电防护关键部位设置离子风机。 ３）离子风机 绝缘体往往容易产生静电，用ｉ接地的方法不 能消除绝缘体上的静电，通常利甩离子作用来中 和这些绝缘材料上的静电。离子风机是一种吹出 离子化气流的设各，它用来中和累积在绝缘材料 上的任何电荷，提供一个等电位的工作区域。 ４）其他注意事项 （１）进行线路板测试时，除了测试仪接地外， 还要了解测试仪的测试线路，特别是恒流测试的 电源开路电压不能过高，以免线路板受到反馈脉 冲电压的冲击而造成芯片失效。 （２）表ｌ为人体几种状态的带静电情况，从中 不难看出，相同条件下，随着湿度（空气中潮气）的 上升，静电电位Ｕ降低了，Ｉ］ｐＥＳＤ的危险性降低 了，但仍然存在，因此不可放松静电防护措施， 应保持良好的工作习惯。 表１人体带静电情况分类表 活动 相对湿度 １０％ ４０％ ５５％ 走过地毯 ３５ ０００Ｖ １５ ０００Ｖ ７ ５００Ｖ 走过合成树脂地板 １２ ０００Ｖ ５ ０００Ｖ ３ ０００Ｖ 工作台作业员动作 ６ ０００Ｖ ８００Ｖ ４００Ｖ 从泡泡装袋中取走ＰＣＢ板 ２６０００Ｖ ２０ Ｏ００Ｖ ７ ０００Ｖ 将ＰＣＢ装入有泡棉的箱子 ２１ ０００Ｖ １１ ０００Ｖ ３ ５００Ｖ （３）包装是产品出厂前的最后一个环节，包装 工艺的好坏直接影响产品到达用户手中是否为合 格品。包装应采用防静电屏蔽袋，它用于器件的 包装、运输和储存，具有一定的防潮效果。 ３安装中的注意事项 在太阳能系统安装中，由于操作人员会接触 和室内线路，（安装电加热系统和传感器系统）需要 大家注意的是： １）静电接地技术 技术应用・ＥＤＳ防护 接地就是直接将静电通过一条导线的连接 泄放到大地，这是防静电措施中最直接、最有效 的方法。多数静电防护系统的效果，都依赖于接 地地线的质量，静电接地技术是静电泄放工艺中 的主要环节，系统接地的质量将直接影响电荷的 释放能力。地线必须是能够接受或提供大量电荷 的，理想的地线应该是一个优良的导体，即电流 流过地线时不产生电位降，地线上各点电位相 同。在工作区的静电地线应为静电专用地线，不 得与其他地线共用。防静电接地是厂房基建工程 中重要的指标之一。 ２）特别提醒大家的是，安装太阳能热水器 系统可能触及２２０Ｖ市电，操作人员不应该带接地 防静电手腕带或脚带等，以防止出现人身电击事 故，因为它们提供从身体到大地的电流通路。 ４结束语 本文深入分析了控制器在选材和生产工艺 中以及在过程环境中的ＥＳＤ防护，包括器件的选 用和电路设计，即在控制器的连接器和端口处 放置外部保护元件。在压敏电阻、聚合物和ＴＶＳ 这几种常见保护元件使用比较中，基于ＴＶｓ拥有 极佳的导电率，极佳性能、并且在多重应用作 用下仍能维持强劲性能，是所有电子设计者的 首选。此设计方案根据在产品上的试装应用和 各项相关检验结论，完全符合 国际电工委员会 ＩＥＣ６１０００—４—２静电放电的严酷等级检验要求》的 试验标准。 ＥＳＤ静电防护工作是一项长期的系统工程， 任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作 的失败。从而使产品预埋了使用不稳定性的隐 患。许多技术发达企业建立了静电防护机构，在 控制器ＰＣＢ板的生产开发中采用相关ＥＳＤ防护设 计原理并对生产工艺人员重点ＥＳＤ防护培训，产 品的稳定性能必将明显增强。 作者简介 Ｎ，－＇ｒｌ￣（１ ｇｓａ一），男，皇明太阳能股份有限公司电子 工程师。 ５１
