一種信號處理機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，通過正負電荷積累在相互摩擦的兩個物體而形成高電壓。一個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。在這個過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場。ESD 會產(chǎn)生強大的尖峰脈沖電流，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)生的電磁場能量通過傳導(dǎo)或輻射的方式影響電子設(shè)備，會導(dǎo)致設(shè)備運行失?；驌p壞。對電子設(shè)備的靜電放電保護是電子產(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，想要通過測試是很困難的［2］。

1 改進前的靜電放電試驗

本文的信號處理機雖然是裝在一個封閉的金屬機箱里，在沒有進行改進前，就連1 萬伏的靜電放電干擾都經(jīng)受不住。不管是對信號處理機機箱裸露的金屬放電(如把手、鎖緊螺釘）及外接的地線、電纜放電，還是對相鄰的電子設(shè)備外殼放電，都會影響到信號處理機。故障體現(xiàn)在信號處理機死機、送給數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)中斷和雷達顯示器停轉(zhuǎn)等方面。圖1和圖2 是試驗中測到的靜電放電波形，是用靜電放電槍對信號處理機機箱的外殼作1 萬5 千伏的靜電放電時在機箱內(nèi)測到的波形。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 靜電干擾機理分析

當信號處理機箱外殼受到強靜電干擾時，會增大機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，電源進線插頭沒屏蔽好，信號處理機箱內(nèi)沒采取抗靜電濾波措施，以及信號處理機箱輸出給顯示器的數(shù)據(jù)線電纜沒屏蔽好等，都會使靜電干擾通過機箱外殼、電纜傳到機箱里的內(nèi)部電路上，使設(shè)備工作不正常?？偟乃悸肥?，要盡量使機箱里的內(nèi)部電路板少受到靜電干擾，使電擊到機箱外殼的高壓靜電盡快被旁路掉或抑制掉。

3 改進措施

3.1 電路板金屬散熱器的改進措施

3.1.1 分析

該信號處理機的印制插件是通過插件上的金屬散熱板緊貼機箱的金屬壁來傳導(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，當機箱的外殼上有強靜電干擾時，會通過金屬散熱板傳到光電轉(zhuǎn)換器，進而影響到內(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地分開了。印制插件被鎖緊在機箱里后，要確保印制插件上的信號地與機箱的設(shè)備地不要過早地接在一起。

3.2 機箱信號地與設(shè)備地的改進措施

3.2.1 分析

原來機箱的信號地與設(shè)備地是單獨通過兩根電纜送出的，在遠處進行連接，即單點接地(見圖4）。但是，這種單點接地會導(dǎo)致接地線往往較長，當頻率較高時地線的阻抗很大，甚至發(fā)生諧振，造成地線阻抗不穩(wěn)定。當機箱上發(fā)生靜電電流干擾時，地線電流不能很快地通過地線旁路掉，會對電路產(chǎn)生干擾。

圖4 原來機箱的信號地與設(shè)備地插座

3.2.2 改進措施

去掉原信號地和設(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箱的金屬外殼相連接上，即在機箱上就形成一點接地。再用一根防波套制成的接地線從機箱的殼體上引出外接。見圖5。

試驗證明，機箱的外箱壁上只能用一處對外接地，且接地電阻越小越好。

圖5 改后的接地線

3.3 線纜屏蔽改進措施

3.3.1 分析

一個設(shè)計正確的電纜保護系統(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。如果屏蔽線纜同機殼地可靠地連接，可避免傳導(dǎo)耦合。

3.3.2 改進措施

兩個機箱之間用屏蔽電纜連接，屏蔽電纜的屏蔽層與機箱采用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，必要時再套上鐵氧體磁環(huán)。

圖6 電纜屏蔽

3.4 機箱的屏蔽和濾波處理

3.4.1 分析

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

信號處理機箱的箱蓋一定要屏蔽密封好，如果螺釘沒擰緊使機箱蓋板有縫的話，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，其作用相當于低通濾波器，較好地解決了電源線、信號線和連接器的射頻干擾抑制問題，而且具有使用簡單、方便等優(yōu)點。使用時只要把鐵氧體磁芯套在被保護線路上，無須接地。利用鐵氧體磁芯對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）增加機箱蓋板螺釘?shù)拈g距密度，在機箱蓋板的四周用屏蔽銅膠帶封邊，加強了機箱密封性;

(b）去掉機箱面板上不必要的接插件，使對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為機箱中對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 機箱內(nèi)的濾波處理

圖9、圖10為機箱中加裝的兩種電磁干擾抑制夾，便于做試驗時拆裝。

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，長而細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）。當用于抑制電源線上共模干擾時，將電源進線和回線同時穿過磁芯，可防止磁芯進入飽和區(qū)。為避免磁芯在電線上活動，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)試驗驗證，在改造過的雷達信號處理機上，通過了百余次2 萬5 千伏的靜電高壓放電測試。不管是對信號處理機箱裸露的金屬放電(如把手、蓋板鎖緊螺釘）及外接的地線、電纜放電，還是對相接、相鄰的電子設(shè)備外殼放電，都不會影響信號處理機的工作。

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

［2］錢振宇.3C 認證中的電磁兼容測試和對策［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.7.