一種信號(hào)處理機(jī)抗靜電干擾的有效方法

蔣金富

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

0 引言

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD）就是處于不同靜電電位的兩個(gè)物體間靜電電荷的轉(zhuǎn)移。靜電是由兩種不同物質(zhì)的互相摩擦，通過正負(fù)電荷積累在相互摩擦的兩個(gè)物體而形成高電壓。一個(gè)物體的可充電電壓取決于其電容量，符合定律Q=CV。人體能夠通過摩擦起電感應(yīng)被充電至幾千伏以上。這種轉(zhuǎn)移有接觸放電和空氣放電方式。在這個(gè)過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng)。ESD 會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的尖峰脈沖電流，這種電流中包含豐富的高頻成份，其上限頻率可以超過1 GHz。ESD 產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量通過傳導(dǎo)或輻射的方式影響電子設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行失?；驌p壞。對(duì)電子設(shè)備的靜電放電保護(hù)是電子產(chǎn)品必須經(jīng)歷的。在民用設(shè)備中，其電子產(chǎn)品只需要最大能承受8 kV的靜電放電測(cè)試;而在軍用設(shè)備中，則要求產(chǎn)品能承受2 萬5 千伏的靜電高壓放電［1］。對(duì)于2 萬5千伏的靜電放電干擾而言，被試設(shè)備如果不采取有效措施，想要通過測(cè)試是很困難的［2］。

1 改進(jìn)前的靜電放電試驗(yàn)

本文的信號(hào)處理機(jī)雖然是裝在一個(gè)封閉的金屬機(jī)箱里，在沒有進(jìn)行改進(jìn)前，就連1 萬伏的靜電放電干擾都經(jīng)受不住。不管是對(duì)信號(hào)處理機(jī)機(jī)箱裸露的金屬放電(如把手、鎖緊螺釘）及外接的地線、電纜放電，還是對(duì)相鄰的電子設(shè)備外殼放電，都會(huì)影響到信號(hào)處理機(jī)。故障體現(xiàn)在信號(hào)處理機(jī)死機(jī)、送給數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)中斷和雷達(dá)顯示器停轉(zhuǎn)等方面。圖1和圖2 是試驗(yàn)中測(cè)到的靜電放電波形，是用靜電放電槍對(duì)信號(hào)處理機(jī)機(jī)箱的外殼作1 萬5 千伏的靜電放電時(shí)在機(jī)箱內(nèi)測(cè)到的波形。圖1中橫軸每一小格為1 μs，電壓變化范圍在－14～+12 V;圖2中橫軸每一小格為2 μs，電壓變化范圍與圖1的相同。

圖1 靜電放電波形1

圖2 靜電放電波形2

2 靜電干擾機(jī)理分析

當(dāng)信號(hào)處理機(jī)箱外殼受到強(qiáng)靜電干擾時(shí)，會(huì)增大機(jī)箱連接部分的搭接阻抗，使靜電放電電流不能快速到地。如果機(jī)箱本身的屏蔽和接地不是很好，連接兩設(shè)備的接地不是很好，電源進(jìn)線插頭沒屏蔽好，信號(hào)處理機(jī)箱內(nèi)沒采取抗靜電濾波措施，以及信號(hào)處理機(jī)箱輸出給顯示器的數(shù)據(jù)線電纜沒屏蔽好等，都會(huì)使靜電干擾通過機(jī)箱外殼、電纜傳到機(jī)箱里的內(nèi)部電路上，使設(shè)備工作不正常。總的思路是，要盡量使機(jī)箱里的內(nèi)部電路板少受到靜電干擾，使電擊到機(jī)箱外殼的高壓靜電盡快被旁路掉或抑制掉。

3 改進(jìn)措施

3.1 電路板金屬散熱器的改進(jìn)措施

3.1.1 分析

該信號(hào)處理機(jī)的印制插件是通過插件上的金屬散熱板緊貼機(jī)箱的金屬壁來傳導(dǎo)散熱的。在該印制插件上裝有兩只光電轉(zhuǎn)換器件，而光電轉(zhuǎn)換器件的金屬外殼是與印制插件上的信號(hào)地相通的。印制插件上的金屬散熱板與光電轉(zhuǎn)換器的金屬外殼相接觸了，也就是信號(hào)地與設(shè)備地在插件板上過早地接在了一起(見圖3）。這樣，當(dāng)機(jī)箱的外殼上有強(qiáng)靜電干擾時(shí)，會(huì)通過金屬散熱板傳到光電轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而影響到內(nèi)部電路。

圖3 印制板上的金屬散熱板與光電轉(zhuǎn)換器

3.1.2 改進(jìn)措施

修改了印制插件上的金屬散熱板與光電轉(zhuǎn)換器的金屬外殼接觸部分，即加大了金屬散熱板與光電轉(zhuǎn)換器的金屬外殼的間隙，使金屬散熱板與印制插件的信號(hào)地分開了。印制插件被鎖緊在機(jī)箱里后，要確保印制插件上的信號(hào)地與機(jī)箱的設(shè)備地不要過早地接在一起。

3.2 機(jī)箱信號(hào)地與設(shè)備地的改進(jìn)措施

3.2.1 分析

原來機(jī)箱的信號(hào)地與設(shè)備地是單獨(dú)通過兩根電纜送出的，在遠(yuǎn)處進(jìn)行連接，即單點(diǎn)接地(見圖4）。但是，這種單點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致接地線往往較長(zhǎng)，當(dāng)頻率較高時(shí)地線的阻抗很大，甚至發(fā)生諧振，造成地線阻抗不穩(wěn)定。當(dāng)機(jī)箱上發(fā)生靜電電流干擾時(shí)，地線電流不能很快地通過地線旁路掉，會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾。

圖4 原來機(jī)箱的信號(hào)地與設(shè)備地插座

3.2.2 改進(jìn)措施

去掉原信號(hào)地和設(shè)備地的外接電纜，而把供給印制插件的直流電源的地線匯流條用銅條與機(jī)箱的金屬外殼相連接上，即在機(jī)箱上就形成一點(diǎn)接地。再用一根防波套制成的接地線從機(jī)箱的殼體上引出外接。見圖5。

試驗(yàn)證明，機(jī)箱的外箱壁上只能用一處對(duì)外接地，且接地電阻越小越好。

圖5 改后的接地線

3.3 線纜屏蔽改進(jìn)措施

3.3.1 分析

一個(gè)設(shè)計(jì)正確的電纜保護(hù)系統(tǒng)可能是提高系統(tǒng)非敏感性的關(guān)鍵。作為大多數(shù)系統(tǒng)中的最大的天線，電纜特別易于被EMI(電磁干擾）感應(yīng)出大的電壓和(或）電流。如果屏蔽線纜同機(jī)殼地可靠地連接，可避免傳導(dǎo)耦合。

3.3.2 改進(jìn)措施

兩個(gè)機(jī)箱之間用屏蔽電纜連接，屏蔽電纜的屏蔽層與機(jī)箱采用360°搭接方式。見圖6。需要指出的是，不光是電源電纜，就連數(shù)據(jù)電纜也需要這樣的方法加以屏蔽，必要時(shí)再套上鐵氧體磁環(huán)。

圖6 電纜屏蔽

3.4 機(jī)箱的屏蔽和濾波處理

3.4.1 分析

對(duì)金屬機(jī)箱而言，其屏蔽密封性是相當(dāng)重要的。由于ESD 放電電流波形中含有豐富的高頻諧波，如果機(jī)箱的導(dǎo)電連接不好，就會(huì)對(duì)機(jī)箱內(nèi)的電路板產(chǎn)生影響。ESD 電流會(huì)通過機(jī)箱同時(shí)也通過電路板泄放到地，從而損壞線路板。所以，機(jī)箱上的各部位應(yīng)采取永久性的接縫(要連續(xù)焊接）的方法進(jìn)行處理，以減小機(jī)箱的搭接阻抗。

信號(hào)處理機(jī)箱的箱蓋一定要屏蔽密封好，如果螺釘沒擰緊使機(jī)箱蓋板有縫的話，則要受到很大的影響。

鐵氧體抗干擾磁芯是近年來發(fā)展起來的新型干擾抑制器件，其作用相當(dāng)于低通濾波器，較好地解決了電源線、信號(hào)線和連接器的射頻干擾抑制問題，而且具有使用簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。使用時(shí)只要把鐵氧體磁芯套在被保護(hù)線路上，無須接地。利用鐵氧體磁芯對(duì)高頻干擾所反映出來的阻抗，使高頻干擾得到有效抑制。圖7為一種鐵氧體抗干擾磁芯的頻率特性。

圖7 鐵氧體抗干擾磁芯頻率特性

3.4.2 措施

(a）增加機(jī)箱蓋板螺釘?shù)拈g距密度，在機(jī)箱蓋板的四周用屏蔽銅膠帶封邊，加強(qiáng)了機(jī)箱密封性;

(b）去掉機(jī)箱面板上不必要的接插件，使對(duì)外的接觸線減到最少;

(c）在電源的輸入端加裝一只電源濾波器;

(d）在電源濾波器的輸出端加裝一只大容量的電解電容器;

(e）在輸入端和輸出端處加裝鐵氧體抗干擾磁芯;

(f）在機(jī)箱內(nèi)壁與印制板之間的數(shù)據(jù)線纜上加裝鐵氧體抗干擾磁芯。

圖8為機(jī)箱中對(duì)電源加裝鐵氧體抗干擾磁芯、電源濾波器、電解電容器的示意圖。

圖8 機(jī)箱內(nèi)的濾波處理

圖9、圖10為機(jī)箱中加裝的兩種電磁干擾抑制夾，便于做試驗(yàn)時(shí)拆裝。

圖9 鐵氧體抗干擾磁芯1

通常，鐵氧體磁芯的體積越大，抑制的效果越好。在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的磁芯比短而粗的磁芯阻抗要大，抑制效果更好。不同的干擾頻率范圍應(yīng)選用不同的磁芯材料。錳鋅鐵氧體磁芯適用于干擾頻率低的情況(如30MHz 或更低）;鎳鋅鐵氧體磁芯則適用于干擾頻率高的情況(25～200MHz 或更高）。當(dāng)用于抑制電源線上共模干擾時(shí)，將電源進(jìn)線和回線同時(shí)穿過磁芯，可防止磁芯進(jìn)入飽和區(qū)。為避免磁芯在電線上活動(dòng)，擦傷導(dǎo)線，磁芯穿在線上后要用扎帶固定住。

4 結(jié)束語

圖10 鐵氧體抗干擾磁芯2

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在改造過的雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)上，通過了百余次2 萬5 千伏的靜電高壓放電測(cè)試。不管是對(duì)信號(hào)處理機(jī)箱裸露的金屬放電(如把手、蓋板鎖緊螺釘）及外接的地線、電纜放電，還是對(duì)相接、相鄰的電子設(shè)備外殼放電，都不會(huì)影響信號(hào)處理機(jī)的工作。

［1］Tim Williams.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試［M］.4版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.3.

［2］錢振宇.3C 認(rèn)證中的電磁兼容測(cè)試和對(duì)策［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.7.