自考本科生毕业论文设计任为誉

1、-. z号：本科生毕业论文设计ESD与消费类电子产品电路设计学院：科技学院专 业：电子工程班 级：201304学生：任为誉指导教师：吴勇翀完成日期：本科论文原创性申明本人重申明：所呈交的论文设计是本人在指导教师的指导下独立进展研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承当。学位论文作者签名手写： 签字日期： 2014 年 3 月 5 日本科论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并

2、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权科技学院可以将本论文的全部或局部容编入有关数据库进展检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名手写： 指导教师签名手写： 签字日期：2014 年 3 月 5日 签字日期： 年 月 日-. z摘要随着技术的开展，移动电子设备已经成了我们生活和文化的一个重要组成局部。平板电脑和智能手机触摸技术的应用，让我们能够与这些设备进展更多的互动。它构成了一个完整的静电放电ESD危险环境，即人体皮肤对设备产生的静电放电。如使用消费类电子产品时在用户手指和平板电脑USB或HDMI接口之间会发生ESD，

3、从而对平板电脑产生不可逆的损坏，如峰值待机电流或者永久性系统失效。静电的危害多种多样：世界上有数十颗卫星因ESD发生故障；第一个阿波罗载人宇宙造飞船因ESD导致火灾、爆炸，使三名宇航员丧生；1969年不到一个月的时间，荷兰、挪威、英国有三艘20万吨油轮因ESD相继发生爆炸；等等；全球因ESD而造成的损失数百亿美元。因此在电路上设计上必须引起足够的重视，如果尽可能防止产生ESD；如何更好的能让ESD得到更好的释放；本文将介绍ESD与硬件设计做重点阐述，分别从硬件SCH和PCB的设计过程中，ESD设计的考前须知。包括ESD器件的选择，PCB的布局布线等。还有一些遇到过问题及解决方法的实例等；从源头

4、杜绝或尽可能减少ESD的危害。关键词：静电放电；硬件设计；原理图；PCB-. zAbstractWith the development of technology, mobile electronic devices has bee our life and an important part of culture. Tablet and smartphone touch technology application, enable us to more interaction with these devices. It forms a plete electrostatic discha

5、rge (ESD) dangerous environment, namely human skin of equipment produced by electrostatic discharge. On the users finger when such as using the consumer electronics and tablet USB or HDMI interface between ESD will happen, so as to produce irreversible damage to the tablet, such as peak or permanent

6、 standby current system failure.The harm of static electricity is varied: dozens of satellites for ESD failure happens in the world; The first Apollo manned space shuttle for ESD lead to fire, e*plosion, the three astronauts were killed; In 1969, less than a month of time, the Netherlands, Norway, B

7、ritain has three 200000 - ton tanker e*ploded by ESD successively; And so on; Global losses caused by ESD tens of billions of dollars.So in the circuit design must cause enough attention, if as far as possible avoid to produce ESD; How better to make the release of ESD get better; This article will

8、introduce ESD with emphasis on hardware design, respectively from the hardware SCH and PCB design process, ESD design considerations. Including the selection of the ESD device, the layout of the PCB wiring, etc. There are also some encountered problems and solutions of the instance, etc.; From the s

9、ource to eliminate or minimize the dangers of ESD.Keywords: electrostatic discharge, Hardware design; Schematic diagram; PCB目 录第1章 引言1第2章 SCH设计4第3章 PCB设计10第4章 设计案例解析12第5章 总结13参考文献14致14-. z第1章 引言1.1 概述ESD英文全称为ElectroStatic Discharge即为静电放电的意思。简单的说就是，ESD就是电荷的快速中和；电子工业每年花在这方面的费用有数十亿美元之多。我们知道所有物质都是由原子构成，

10、原子中有电子和质子。当物质得或失去电子时，它将失去电平衡而变成带负电或正电，正电荷或负电荷在材料外表上积累就会使物体带上静电。电荷积累通常因材料互相接触别离而产生；也可由摩擦引起，称为摩擦起电。正为防止静电积累所引起的人身电击、火灾和爆炸、电子器件失效和损坏，以及对生产的不良影响而采取的防措施。其防原则主要是抑制静电的产生，加速静电泄漏，进展静电中和等.静电的危害：世界上有数十颗卫星因ESD发生故障；第一个阿波罗载人宇宙造飞船因ESD导致火灾、爆炸，使三名宇航员丧生；1969年不到一个月的时间，荷兰、挪威、英国有三艘20万吨油轮因ESD相继发生爆炸；等等；全球因ESD而造成的损失数百亿美元。我

11、们从以下几个方面认识静电：1.2 ESD的根本概念及是如何产生的ESD的根本概念静电：通俗地来讲，静电就是静止不动的电荷。它一般存在物体的外表，是正负电荷在局部围失去平衡的结果。静电是通过电子或离子转移而形成。静电放电：(ElectroStatic Discharge-ESD):处于不同静电电位的两个物体间静电电荷的转移就是静电放电。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。 静电的产生及静电起电的类型静电的产生1、主要有摩擦起电和感应起电2、通常发生于绝缘体和绝缘体之间或者绝缘体和导体之间；后者则发生于带电物体于导体之间，两种物体无需直接接触。3、静电就是物体外表的一种处于相对稳定状态的电

12、荷。它所产生的效应包括带电体之间力的作用和电场。4、通常把静电带电体与另一物体或看成一个电容器。5、实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与间的电位差。6、静电起电类型 固体起电：剥离起电、破裂起电、压电起电、热电起电、感应起电、吸附起电、喷电起电等。7、粉体起电 粉体气力输送时；粉体粒子和管道壁发生碰撞和摩擦从而带上电荷形成起电电流。8、液体起电 液体中的带电粒子形成的边界层可认为是偶电层，这种偶电层由于力学作用而别离，从而导致了静电放电。9、气体起电 单纯的气体通常不会起电，但气体中悬浮着固定或液体微粒容易与管壁摩擦而起电。10、人体起电 人体本身是静电导体，但鞋袜衣服则由绝缘材料制成，故

13、人体在接触起电后电能会暂时储存。 静电的特性静电的特性：库伦定理标明电压、电荷和电容的关系。通常把静电带电体与另一个物体或看成一个电容器实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与之间的电位差。人体不一定感知 小于3KV 很难感知；在3KV时；你能通过皮肤感知在5KV时你能听见；在10KV时，你能看见，产生火花。 影响静电的因素环境的湿度和空气中的离子浓度潮湿的梅雨季节，静电势较低；在北方或枯燥的冬季；静电势较高。空气纯洁的场所，空气的离子浓度低，静电更容易产生。 影响静电的因素典型的电子料敏感电压围：晶体管：307000V；运算放大器微型组建：2002500V二极管：3002500V；薄膜电阻器

14、：3003000V低功率逻辑集成电路：5002500V；晶体渣流管：7001000V等静电的危害1、吸附灰尘缩短产品寿命。2、放电损伤产品失效3、电磁干扰过程中断不良数据、软件错误、校准失误、处理器停顿运作以上危害的特点是：隐蔽性，潜在性和累计性；随机性和复杂性。电子产品设计中ESD设计遵循的设计规则电子产品在设计的过程中必须遵循抗静电释放的设计规则，它们有助于预防并解决静电释放产生的危害。静电可以通过各种各样的耦合途径找到设备的薄弱点，为了防止ESD的干扰和损毁，就必须隔离这些路径或加强设备的抗ESD能力；隔离路径主要通过设备的构造设计来实现。本文主要针对在构造设计不能完全屏蔽ESD的情况下

15、，需要加强设备的抗ESD能力时,SCH和PCB设计过程中应该考虑到得一些方面。第2章 SCH设计2.1 SCH的ESD设计在原理图的设计中，我们主要关注哪些地方有可能会由于构造的缝隙或外围接口而有可能会引入ESD的问题，从而需要考虑在这些地方增加抗ESD期间。对我们的硬件设计而言，一般有以下即可接口需要考虑： 外围接口局部外围接口是最容易受到ESD干扰的局部。主要包括：1、USB接口包括USB电源2、耳机接口3、MIC接口4、Receiver/Speaker接口5、存储卡接口包括T卡、SD卡6、UIM卡接口7、电池连接器8、高分辨率多媒体接口HDMI9、其它类型的尾插接口由于消费类电子产品设计

16、是面向的群众消费者，而且可以在任何环境中使用，因此ESD很有可能进入其中的一个端口或IO接口，并导致芯片组出现电气不稳定现象或完全损坏。下列图用于帮助说明不同电路该用什么样的ESD保护技术。它说明，所有的电路都有可能为ESD进入电器提供一个途径。了解了上述信息后，我们就可以分析不同的电路采取不同的ESD保护方案。无线电路GSM/CDMA/蓝牙和FM收音机这些都是低电压电路，而且他们还用于承载高频信号。GSM/CDMA/GPRS工作在800MHZ到1900MHZ；蓝牙工作在2400MHZ；FM收音机的工作频率可高达108MHZ。为了保持射频信号的完整性，ESD抑制的关键特性是一个非常低的电容值。

17、由于这个原因，推荐使用PGB2010402(PGB);它的电容值仅有0.07PF，不会衰减射频信号。音频接口耳机、扬声器和麦克风这些电路承载的是20HZ到30000HZ之间的音频信号。由于这些事低频电路，ESD保护器的电容并不需要时最小的，不过通过仔细控制电容值20PF到30PF；有可能在进展ESD保护的同时也获得一些EMI滤波效果，为了满足这些特性，推荐的解决方法包括V9MLA0402L(MLV)和SP1003-01DTG(SPA);应当指出的是SPA产品具有比MLV器件更低的钳位电压；因此它可能是更适宜的选择，如果音频CODEC芯片组对ESD非常敏感的话。 3高速数字接口(如USB2.0和

18、HDMI接口)USB数据总线的数据传输速率已从12Mbps(USB1.1)增加到480Mbps(USB2.0)。由于数据传输速率是如此之高，因此有必要尽量减少ESD保护器的电容值，以防止数据信号不会产生任何失真。出于这个原因，推荐在USB总线的D+和D-线路采用PGB2010402(PGB)和SP3003-02*TG(SPA)进展保护。同样，了解芯片组(数字基带或USB收发器)的ESD敏感度是很重要的。如果它们对ESD非常敏感；SPA 产品线就是更好的选择。 4 LCD模块/SIM插座/SD和MMC接口 总的来说，这些电路并不属于高速。其数据传输速率一般限于20Mbps或更低。因此，如果ESD

19、保护器的电容值是40pF或更低，就不会有任何信号完整性问题。满足这一要求的产品是V9MLA0402L(MLV)和SP1001-04*TG(SPA)。还应当指出的是，一些LCD模块和智能卡正在使用高达200Mbps的高速接口。因此，与USB2.0一样，有必要ESD保护器的电容值减到最小。针对这些高速总线推荐的解决方案是PGB2010402(PGB)和SP3003-04*TG(SPA)。最后，对于滑盖和翻盖手机来说，连接主板和显示板的柔性电路可能很容易受到电磁干扰和ESD的破坏。在这些情况下，解决方案应该能够完成滤波和ESD抑制功能。SP6001-04UTG和SP6002-04UTG恰好包括集成的

20、滤波器和ESD保护。 间接干扰局部此局部可能由于构造设计的缝隙而使信号线上受到ESD的干扰，主要应该通过构造的改善使其密闭性增加而到达抗ESD的目的。如果构造无法做到，可通过在硬件上增加抗ESD器件来保证手机的抗ESD能力。此局部主要包括：LCDLCD外最好加一个金属支架，同时金属屏蔽框请接主板地；否则起不到屏蔽效果键盘和按钮这些接口电路只是简单的DC开关，工作电压为5VDC或更小，但它们可以为ESD进入模拟基带芯片组提供一条途径。选择决定可基于ESD抑制器的形状因子。对于分立器件来说，推荐使用V5.5MLA0402(MLV)和SP1003-04DTG。如希望选择省空间的多通道阵列，推荐使用S

21、P1001-04*TG。充电器入口充电输入口为锂离子电池组的重新充电提供电源，但它也可能将ESD或雷电浪涌引入手机。优化用于对抗这两种类型瞬态浪涌的器件是V5.5MLA0603(30A，820s)和V5.5MLA0402(20A，820s)。2.2 ESD器件的选型目前我们设计上使用的抗ESD器件主要有TVS管和压敏电阻，两种各有特点；可根据工程对ESD的性能要求和本钱的定位来权衡折中做出选择。一般来说TVS管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、无损坏极限等优点，但其价格相对于压敏电阻一般要高出一些;目前业最常见的板级ESD保护器件主要有以下三种，它们的关键属性如下:1、多层

22、压敏电阻(MLV)：这类基于氧化锌的器件可提供ESD保护和低级别的电涌保护。它们的小形状因子(尺寸已下降到0402和0201)使得它们非常适合于便携式应用(如手机和数码相机等)。2、硅保护阵列(SPA)：这类分立和多通道器件设计用于保护数据线和I/O线免受ESD和低级别瞬态浪涌的伤害。它的关键特性是非常低的钳位电压，这允许它们保护最敏感的电路。3、聚合物ESD抑制器(PGB)：这是最新的技术，设计用于产生最小的寄生电容值(0。2pF)。这一特性允许它们用于高速数字和射频电路，而不会引起任何信号衰减。 TVS管的选型原则对于TVS管的选型，首先要确定被保护的电路的最大直流或连续工作电压、电路的额

23、定标准电压和高端容限。然后根据以下几类指标来选择适宜的TVS管。.1 电压VRWM：反向关断电压。在此电压值加在TVS管两端时，TVS管处于反向关断状态。因此VRWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。假设太低器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。我们的手机的工作为3V逻辑，工作时PK-PK值可能会超过3V，但肯定会低于5VVBUS电源除外，因此选用5V以上关断电压的TVS管即可满足要求。VBR:反向击穿电压，当加在TVS管两端的电压大于或等于此电压的最小值时，TVS被击穿，反向电流急剧增大。因此信号正常工作时的电压一定要小于VBR；否则引起工作不正常。TVS管的击穿电压肯定

24、会大于反向关断电压，因此只要VRWM满足要求，则VBR即可满足要求。VC：箝位电压。当持续时间为20US的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，其两级间出现的最大峰值电压。因此TVS管的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。对于这个指标的选取，要根据被保护对象可耐受的电压来确定。.2 电流IR：反向漏电流。TVS管处于反向关断状态时流过的反向电流。器件选择时此漏电流越小对工作信号的影响越小。IPP:最大峰值脉冲电流。VC、IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。.3 电容Cj：结电容。是TVS雪崩结截面决定的、在特定的1MHZ频率下测得的。大小与TVS的电流承受能力成正比，C过大将使信号衰减。因

25、此在高速信号如USB、T卡、SD卡等高速接口要选择Cj比拟小TVS管，一般10PF以下为易，USB2.0要求在5PF以下。UIM卡一般选择在50PF以下即可。其它低速信号对电容的要求没有则严格，主要考虑其它指标。.4 响应时间一般的TVS管的响应时间都可以满足要求，在1NS以；可从SPEC上查到此指标。.5 最大峰值脉冲功率PPK：TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率。在给定的箝位电压VC下，PPK越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的PPK下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功率还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且TVS所承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉

26、冲重复频率持续时间和间歇时间之比为0.01%；如果电路出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积,有可能使TVS管损坏。.6 抗ESD级别VESD：表示器件针对的ESD级别；可通过产品需要通过的ESD级别来选择相应的器件。 压敏电阻的选型原则 压敏电阻的选取与TVS管的选取原则有很对一样之处；如电压、电流、电容等的考虑；需要注意的是跟TVS管不同的是，压敏电阻有阻存在，在保护阻抗比拟小的器件时如MIC,SPEAKER等，需要选用Rv压敏电阻阻小于四分之一R被保护器件的阻值的器件。VDC：最大工作电压。一般要求该电压大于被保护电阻的工作电压。Vn ：击穿电压VC : 嵌位电压RV : 击穿后的阻，越小

27、越好。IR : 绝缘电阻，一般大于1M欧姆。IL : 约等于VDC/IR，漏电流，越小越好。CP : 电流量，高度信号时需要考虑此指标。TD : 响应时间，一些厂家的片式压敏电阻的响应时间可以做到1NS以.第三章PCB设计 印刷电路板PCB是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电路连接，随着电子技术的快速开展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大；因此，在设计PCB时必须遵循符合抗干扰能力的要求；可以通过分层、恰当的布局布线和安装来实现PCB的抗ESD设计；要使电子电路获得最正确性能，元器件的布局及导线的布设都很重要，为了设计质量好而造价低的PCB

28、，需要遵循以下原则： 1、布局 首先要考虑PCB的尺寸大小，PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降；本钱也增加；过小，则散热不好，且临近线条容易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置；最后根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进展布局。2、近可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰，易受干扰的电子元器件不能相互挨的太近，输入和输出元件尽量远离。3、*些元器件和导线之间有可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离；以免放电引起意外短路。带高压的元器件尽量布局在调试时不易触及的地方。4、重量超过15克的元器件、应当使用支架加以固定，然后焊接。那

29、些又大又重、发热量多的电子元器件不易布局在印刷板上，而应装在整机机箱的底板上，且考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。5、对于电位器、可调电感线圈、可调电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机构造的要求。假设是机调节，应放在印刷板上方便于调节的地方；假设是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。6、应留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置 根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进展布局时，要符合以下原则：按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号信号流通，并使信号尽可能保持一个方向。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来布局。元器件应均匀、整齐、紧凑的排列在PC

30、B上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。在高频工作下的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路要尽可能使元器件平行排列。这样不但美观，而且装焊容易，便于批量生产。位于电路板边的元器件，应离PCB边缘一般不小于2MM；电路板的最正确形状为矩形；长宽比为3:2或4:3.电路板的尺寸大于200*150MM时，应考虑电路板所受的机械强度。7、PCB布线的原则 1输入和输出端用到的导线应防止相邻平行。最好加线间地线；以免发生反应耦合。 2印制摄导线的最小宽度主要有导线与绝缘基板间粘附强度和流过他们的电流值决定。电源线和地线要尽可能的近，整块PCB的电源与地要呈井字行分布。焊盘要比元件焊盘大。 3

31、电源线设计；根据PCB电流的大小，尽量加粗电源线的宽度，减少环路电阻。同时使电源线和地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 4地线设计 数字地和模拟点分开 接地线尽可能加粗 接地线构成闭环路常见的PCB走线方式有：直角走线，差分走线，蛇形走线等，各有特点；在PCB设计时，为减少阴线长度对ESD器件的响应时间的影响，布局是应把TVS管或压敏电阻尽量靠近被保护器件的引脚；且走线不可过细。接地要最近距离到GND，以使得接地回路良好。ESD抑制器的布线指南:如果ESD抑制器没能放在PCB板上的正确位置，则所选ESD抑制器的有效性可能会大幅降低。为了确保ESD瞬态浪涌能立即分流和减少到尽可能最低的水平，ESD抑制器应安装在