安防系統(tǒng)靜電干擾的研究

于 虹，黃大明，高 晨

(1.國家電子計算機外部設備質量監(jiān)督檢驗中心，浙江 杭州310012;2.杭州電子科技大學新型器件與應用研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

電磁兼容性是設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。靜電放電干擾是影響電磁兼容性的重要因素之一，已成為對電子工業(yè)危害較大的干擾源[1]。早在20世紀80年代，國內(nèi)外學者就開始了對靜電放電及干擾的研究，其中日本和美國早期對靜電干擾的研究主要采用解析方法，集中研究了靜電火花放電過程中產(chǎn)生的電磁場模型。我國現(xiàn)用的靜電放電抗擾度試驗標準為GB/T17626.2 等同于國際標準IEC61000-4-2，雖然經(jīng)過多次修改，但還存在許多問題，仍稍滯后于國際標準[2]。本文用接觸放電法，測試并提高耦合板的抗擾度。

1 靜電干擾起因

靜電放電有多種形態(tài)，由于靜電源或帶電體可能是固體、液體，加上帶電體本身的大小、形狀、帶電量的多少、放電環(huán)境的不同，靜電干擾無處不在。在公共場所，人員來回走動，空氣、塵埃到處漂浮，辦公設備、移動設備比比皆是。高達3 萬伏的電壓會存在于陰極射線顯像管顯示器中，電子受高壓影響會導致靜電荷在顯示器表面產(chǎn)生，電荷在無法放電的情況下經(jīng)過長時間積累，形成對顯示器影響較大的高壓正電荷區(qū)域。

隨著電子電力技術的發(fā)展，開關電源在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用，工作狀態(tài)下的開關電源會產(chǎn)生基波和高次諧波，并且向周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射，部分高頻電磁波會被處于輻射環(huán)境中的物體吸收，造成物體表面靜電荷大量積累。若處于輻射環(huán)境中的金屬物體接地不良，金屬物體表面的電荷積累到一定程度，會在一定的場強下對外放電，造成不必要的損失。作為長期處于工作狀態(tài)的安防系統(tǒng)，其靜電現(xiàn)象也不可避免。

2 靜電放電試驗方法

在靜電放電試驗中，利用一塊金屬片或金屬板，用來模擬對受試設備附近物體的放電過程。其中，接觸放電法是一種常用的放電試驗方法，是將靜電放電試驗發(fā)生器與受試設備保持良好接觸，并且觸動

試驗發(fā)生器開關，連續(xù)對受試設備進行放電，以測試受試設備能否通過該種放電測試。對安防系統(tǒng)進行靜電放電試驗，實驗布置如圖1所示。

圖1 靜電放電試驗布置

在試驗過程中，對測試所要求的各點進行放電試驗。當靜電槍靠近機殼前端部分的螺孔并施加±6 kV的接觸放電試驗時，安防系統(tǒng)出現(xiàn)了圖像輕微抖動現(xiàn)象。對電源輸入接口及視頻輸出接口施加±6 kV的接觸放電時，會出現(xiàn)嚴重抖動現(xiàn)象，有時會出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)死機的現(xiàn)象。

由于靜電放電抗擾度試驗適用的國家標準是推薦性標準，不是強制性標準，本文對安防系統(tǒng)靜電放電試驗得出的問題進行了梳理、歸納，總結出對安防系統(tǒng)靜電放電試驗的改進方案，希望對有類似靜電放電問題困擾的提供一些借鑒。

3 靜電干擾解決方案

3.1 系統(tǒng)電源的改進

在安防系統(tǒng)模擬靜電放電試驗中，對機殼靠近前端部分的螺孔進行±6 kV 測試時，顯示出現(xiàn)細微圖像抖動，對電源板輸入接口進行測試時，會出現(xiàn)嚴重抖動現(xiàn)象，圖像變黑后再變?yōu)檎！＝?jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于電源線不接地，靜電電流不能順利泄放從而影響到電源板，產(chǎn)生上述現(xiàn)象。為了加強電源板靜電防護能力，調整了電源輸入部分濾波和抑制電容、整流與輸出耦合部分電容的數(shù)值，部分電容測試圖如圖2所示。

圖2中，C3可用于抑制輸入電路的差模噪聲，C2、C8與L1構成共模濾濾器，用以抑制共模噪聲。其中C3、C2、C8與變壓器L1的阻抗為:

C26是耦合交流整流后的地HGND與輸出部分的地GND的耦合電容。所以，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，當C3、C2、C8、C26任一個使用多層片式陶瓷電容器時，都會對靜電放電測試產(chǎn)生不良影響，其中C3、C2、C8會在靜電槍測試電源輸入接口時產(chǎn)生影響，C26會在測試視頻輸出接口時產(chǎn)生影響。全部換用插件高壓高介電常數(shù)瓷介質電容器后，靜電放電測試通過。測試時特別除去了C2、C8，盡管C3、C26使用的是高壓高介電常數(shù)瓷介質電容器，但仍會出現(xiàn)圖像抖動的問題。這一現(xiàn)象說明，電源輸入部分的共模濾波器對靜電放電防護意義重大。

圖2 部分電容測試圖

3.2 系統(tǒng)前端的抗靜電改進

視頻模擬輸入儀器DS8016HS-S VGA 在使用時偶有白屏出現(xiàn)，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，是由于8016HS-S VGA 使用了新的A/D 前端TW2864 芯片所致。通過靜電槍對設備視頻信號輸入口施加±6 kV 靜電放電，經(jīng)過幾次測試后設備重復出現(xiàn)白屏現(xiàn)象，并且TW2864 芯片損壞，經(jīng)過更換TW2864 芯片后達到正常。對前端芯片為TW2816的DS8016HS-S 設備進行±6 kV 靜電測試，設備工作正常。比較TW2864和TW2816 前端電路，TW2816 前端輸入視頻信號要求VIN=0.5 VPP，TW2864 前端輸入視頻信號要求VIN=1VPP。具體電路圖如圖3所示。

圖3 TW2864和TW2816 前端電路

經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)TW2864 芯片的設計，從外部視頻輸入接口，到主板TW2864 芯片，沒有靜電限流電阻存在。其中在TW2816中，各節(jié)點電流關系為:

雖然可得VIN=0.5VPP靜電放電是高頻信號，幾千伏沖擊電壓，經(jīng)過TVS 鉗位后，沖擊電壓仍然高達100 多伏。

加入6 kV 靜電測量0.1 μF 耦合電容后，TW2864輸入前端的信號損壞，出現(xiàn)白屏，經(jīng)調整設計，增加靜電限流電阻。改進后電路圖如圖4所示。對更改后的設備，靜電±6 kV 放電測試200次以上，圖像顯示正常，且芯片工作正常。串聯(lián)的100 Ω 靜電限流電阻大約降低了50 V 左右的沖擊電壓，而且可以將原來的10 A級的沖擊電流大大降低。經(jīng)過本次對系統(tǒng)前端的改進，抗靜電干擾度有較好改善。

4 結束語

在安防設備設計時，不僅需要考慮泄放靜電電荷通道，也需要考慮差模及共模抑制。在金屬外殼受到靜電放電沖擊時，靜電干擾應當減小外殼與內(nèi)部電路系統(tǒng)產(chǎn)生較高的電位差，同時還要防止該電位差對內(nèi)部電路系統(tǒng)造成二次靜電放電干擾。解決該問題的可行方法是加TVS 管保護、芯片管腳，增加靜電限流電阻、加耦合電容并注意電容的材質及封裝的使用。這樣可在安防系統(tǒng)中減小靜電干擾帶來的不利影響。

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