涵道式無(wú)人飛行器靜電防護(hù)技術(shù)研究

哈爾濱市高新技術(shù)檢測(cè)服務(wù)中心 肖 猛 劉金鳳 劉修寬 秦 萌

?

涵道式無(wú)人飛行器靜電防護(hù)技術(shù)研究

哈爾濱市高新技術(shù)檢測(cè)服務(wù)中心 肖 猛 劉金鳳 劉修寬 秦 萌

【摘要】涵道式無(wú)人飛行器在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的靜電放電，可能會(huì)干擾飛行器通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)使其飛行受到影響，嚴(yán)重的情況可能會(huì)導(dǎo)致油箱起火甚至爆炸。本文針對(duì)涵道式無(wú)人飛行器的靜電放電現(xiàn)象展開(kāi)研究，就靜電放電對(duì)飛行器的危害及飛行器的靜電防護(hù)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】涵道式無(wú)人飛行器；靜電放電；防護(hù)

1　引言

涵道式無(wú)人飛行器是一種特種無(wú)人飛行器，它的動(dòng)力來(lái)源于風(fēng)扇置于環(huán)形涵道內(nèi)所構(gòu)成的推力或者升力裝置。與普通固定翼及旋翼式無(wú)人飛行器相比，它具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，更低的氣動(dòng)噪聲和更好的使用安全性。涵道無(wú)人飛行器具有垂直起降和懸停的飛行特性，在體積、隱蔽性和飛行性能上都具有鮮明的特點(diǎn)，已成為當(dāng)今微小型無(wú)人機(jī)研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并開(kāi)始從軍用逐漸普及到警用和民用，具有廣泛的應(yīng)用前景。涵道式無(wú)人飛行器工作環(huán)境特殊，其所處的電磁環(huán)境也相當(dāng)復(fù)雜。

靜電放電是涵道式無(wú)人飛行器所處的電磁環(huán)境中重要的一個(gè)因素,它是日常生活中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，靜電的許多功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到產(chǎn)品中，如靜電噴涂、靜電復(fù)印和靜電分離等。然而，靜電放電也會(huì)導(dǎo)致一些危害，可能導(dǎo)致設(shè)備的功能紊亂甚至元器件損壞。靜電放電對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)元器件及接口電路造成的破壞等問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。尤其是針對(duì)無(wú)人飛行器來(lái)說(shuō)，如果其電路受到干擾或破壞，極有可能導(dǎo)致飛行器不能完成預(yù)定工作，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生墜落甚至引起油箱起火爆炸，是涵道式無(wú)人飛行器無(wú)法回避的安全問(wèn)題。

2　靜電放電形成的機(jī)理及其危害

涵道式無(wú)人飛行器在設(shè)計(jì)時(shí)，由于其自身的工作特點(diǎn)，對(duì)重量和體積的限制非常嚴(yán)格，傳統(tǒng)的元器件重量和體積均較大，不適用在涵道式無(wú)人飛行器上使用。因此，半導(dǎo)體器件和集成電路被廣泛的應(yīng)用在無(wú)人飛行器的控制和導(dǎo)航系統(tǒng)上，多數(shù)半導(dǎo)體器件都容易受靜電放電而損壞，大規(guī)模集成電路器件尤為如此，因此涵道式無(wú)人飛行器非常容易受到靜電放電的影響而導(dǎo)致一系列安全問(wèn)題。

半導(dǎo)體器件中管腳與絕緣層被靜電放電擊穿的靜電電壓值稱為半導(dǎo)體器件的易損性。常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件對(duì)靜電放電的易損值為100V～3000V，器件在承受幾百到幾千伏的靜電電壓時(shí)，就會(huì)被靜電放電擊穿。涵道式無(wú)人飛行器在地面調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)承受人體上所帶的靜電，而人體所帶的靜電的電壓值可輕易的達(dá)到幾千伏；涵道式無(wú)人飛行器在高空飛行的過(guò)程中，與大氣之間的摩擦同樣可能產(chǎn)生幅度較高的靜電。在這兩種典型的工作狀態(tài)下，涵道式無(wú)人飛行器均容易遭到靜電放電對(duì)電路的損害。

除了容易造成電路的損害以外，靜電放電也極易對(duì)飛行器中的電子電路造成干擾。靜電放電對(duì)電子電路的干擾有傳導(dǎo)和輻射兩種方式：

傳導(dǎo)方式：如果電路中的某個(gè)部分構(gòu)成了放電路徑，則靜電放電電流直接侵入設(shè)備內(nèi)的電路，流過(guò)集成芯片的輸入端，造成對(duì)電路的干擾。

輻射方式：靜電放電時(shí)往往會(huì)伴隨火花并產(chǎn)生尖峰電流，該尖峰電流中包含有豐富的高頻成分，感應(yīng)出的磁場(chǎng)和電場(chǎng)能夠在靜電放電產(chǎn)生點(diǎn)附近的信號(hào)環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生的干擾電動(dòng)勢(shì)很可能超過(guò)邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發(fā)。

3　靜電放電防護(hù)要點(diǎn)

減小靜電放電對(duì)涵道式無(wú)人飛行器的影響的方法可歸結(jié)為三種：（1）阻止靜電放電的產(chǎn)生，也即控制騷擾源；（2）靜電放電發(fā)生后，阻止其產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合到飛行器的電路，即切斷耦合途徑；（3）通過(guò)產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)和對(duì)策來(lái)增強(qiáng)飛行器對(duì)靜電放電的抵抗能力，即提高抗擾度。前兩種方法在技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的，但單純從涵道式無(wú)人飛行器本身的角度來(lái)看，通過(guò)一系列措施增強(qiáng)其對(duì)靜電放電的抵抗能力是才最可靠且最經(jīng)濟(jì)的做法。

涵道式無(wú)人飛行器應(yīng)在電路設(shè)計(jì)的最初階段就考慮靜電放電的防護(hù)要求，在達(dá)到同樣的防護(hù)效果的前提下，考慮的越早，其成本就越低。一個(gè)產(chǎn)品如果在成型以后才考慮靜電防護(hù)，所花費(fèi)的成本是在設(shè)計(jì)最初就考慮靜電防護(hù)所花費(fèi)的成本的100倍以上。本文主要從外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)三個(gè)方面來(lái)討論靜電放電的防護(hù)。

3.1外殼和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從外殼和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，涵道式無(wú)人飛行器靜電放電的防護(hù)可采用“堵”和“疏”兩種方法。如果殼體密不透風(fēng)沒(méi)有任何縫隙，靜電就無(wú)從而入，自然就能解決靜電放電防護(hù)的問(wèn)題。但對(duì)于涵道式無(wú)人飛行器來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)是非常難于做到的，通常都會(huì)有散熱用的孔和縫隙。因?yàn)殪o電會(huì)穿過(guò)孔洞、縫隙放電，所以絕緣外殼的孔洞、縫隙與內(nèi)部電路間應(yīng)留有足夠的空間。對(duì)外殼上的孔、洞、排氣口等，用幾個(gè)小孔代替一個(gè)大孔，既可以保留散熱的功能，又能很好的對(duì)靜電進(jìn)行防護(hù)。

所謂“堵”，是增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，靜電產(chǎn)生的影響會(huì)隨著距離的增加而大幅度衰減，達(dá)到了靜電防護(hù)的目的。

所謂“疏”，是將EMI油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。由于EMI油漆是導(dǎo)電的，可以看成是一個(gè)金屬的屏蔽層，再將殼體與設(shè)備的地連接，將靜電從地導(dǎo)走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個(gè)金屬屏蔽罩將其中的電路保護(hù)起來(lái)，金屬屏蔽罩再連接設(shè)備地。

在外殼設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合涵道式無(wú)人飛行器允許的最大重量和靜電防護(hù)等級(jí)要求并結(jié)合成本控制，綜合考慮確定外殼和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

3.2電路設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，與外部設(shè)備連接的接口電路都需要加保護(hù)電路，其中也包括電源線，這一點(diǎn)往往被硬件設(shè)計(jì)所忽視。常用的瞬態(tài)抑制保護(hù)電路有以下幾種：

（1）箝位二極管保護(hù)電路：

箝位二極管保護(hù)工作原理如圖1所示。

圖1　箝位二極管保護(hù)電路

本電路具有很好的保護(hù)效果，同時(shí)其代價(jià)低廉，適合成本控制比較嚴(yán)、靜電放電強(qiáng)度和頻率不嚴(yán)重的場(chǎng)合。

（2）壓敏電阻保護(hù)電路。

使用壓敏電阻保護(hù)電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、瞬態(tài)抑制效果好、對(duì)電路帶來(lái)的負(fù)面影響較小，且可以獲得較大的保護(hù)功率。

（3）瞬態(tài)電壓抑制器（TVS管）。

TVS管是最近發(fā)展起來(lái)的一種固態(tài)二極管，適用于靜電防護(hù)。改進(jìn)后的TVS管更適用于低壓電路，且封裝集成度高，占用空間小，適用于電路板空間緊張的情況下使用，其適用范圍比較廣泛。

3.3印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)的靜電放電防護(hù)能力有著重要作用，PCB上的走線是靜電產(chǎn)生電磁干擾的發(fā)射天線。為了把這些天線的耦合降低，要求線盡可能短，環(huán)路面積盡可能小。

電流通過(guò)感應(yīng)進(jìn)入到電路環(huán)路，電流的幅度與環(huán)路的面積成正比。環(huán)路越大，包含的磁通量就越多，會(huì)導(dǎo)致在電路中感應(yīng)出較強(qiáng)的電流。因此，必須減少環(huán)路面積，如圖2所示。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB設(shè)計(jì)。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了靜電放電脈沖產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)。

圖2　減小環(huán)路面積

4　結(jié)束語(yǔ)

靜電是造成涵道式無(wú)人飛行器飛行失常甚至起火爆炸的重要原因之一，隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的復(fù)雜程度的提高，靜電的危害也越來(lái)越被人們重視。涵道式無(wú)人飛行器無(wú)論是在地面的調(diào)試期間或在高空飛行期間，絕大部分時(shí)間都處于一個(gè)充滿靜電的環(huán)境之中，靜電可能來(lái)自人體對(duì)飛行器的直接觸碰，可能來(lái)自人對(duì)飛行器臨近物體的觸碰，也可能來(lái)自飛行過(guò)程中與大氣的摩擦。如果不注意靜電防護(hù)問(wèn)題，不僅降低了產(chǎn)品的可靠性，增加了維修成本，也使生產(chǎn)廠家的形象大打折扣。本文以涵道式無(wú)人飛行器為例進(jìn)行分析，闡述了靜電放電的危害，靜電放電的測(cè)試方法并提出相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)策，期望能對(duì)關(guān)心涵道式無(wú)人飛行器靜電防護(hù)生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)人員有所幫助，同時(shí)引起對(duì)靜電防護(hù)不了解的生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)人員的重視。

參考文獻(xiàn)

[1]劉尚合.靜電放電及危害防護(hù).北京郵電大學(xué)出版社,2004.

[2]朱文立.電子產(chǎn)品的靜電放電測(cè)試及其對(duì)策.電子質(zhì)量,2003(3).

[3]朱文立.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)策及案例分析.電子工業(yè)出版社,2011.

基金項(xiàng)目：質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目——民用涵道式無(wú)人飛行器和工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量安全檢測(cè)技術(shù)研究（編號(hào)：201410126）。