靜電放電的硬件防護設(shè)計及其在消防車控制系統(tǒng)回路中的應(yīng)用

李德亮　沈堅敏

摘 要：文章根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗，闡述了靜電放電的危害，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析靜電放電的防護、硬件解決方法，最后以消防車控制系統(tǒng)回路為例介紹了其靜電放電防護設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：靜電放電；防護設(shè)計；硬件解決方法；消防車

中圖分類號：X913 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0156-03

Abstract： According to the author's working experience for many years， this paper expounds the harm of electrostatic discharge （ESD）， and then systematically analyzes the protection and hardware solution of electrostatic discharge. Finally， with the control system loop of fire engine as an example， the design method of electrostatic discharge protection is introduced.

Keywords： electrostatic discharge （ESD）； protection design； hardware solution； fire engine

1 概述

在人們的正常社會活動中，大多數(shù)情況下，人體都帶有靜電。尤其是在冬季，空氣干燥，幾乎人人身上都攜帶著幾百甚至數(shù)千伏的靜電，如果電子產(chǎn)品或系統(tǒng)的抗靜電能力不夠強，就容易受到靜電的干擾，嚴重的可能會被損壞。因此，電磁兼容的設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時，會用各種方法，來解決靜電放電的問題，并通過進行靜電放電抗擾度試驗來驗證產(chǎn)品的抗靜電能力。本文就靜電放電的防護及設(shè)計問題進行探討。

消防車作為最重要的搶險救援裝備，其靜電放電防護性能設(shè)計顯得尤為重要，直接關(guān)系到搶險救援的效率、關(guān)系到人員生命安全。

2 靜電和靜電放電的危害

靜電（Static electricity）即靜止電荷產(chǎn)生的電，如在開路電池的端子上的電或同毛皮摩擦后的硬橡膠上的電，或在不涉及運動的情形下所考慮的電。放電（Discharge）是帶電體的電荷消失而趨于中性的現(xiàn)象。放電時產(chǎn)生的放電電流及其電磁場經(jīng)電路耦合可能引起電氣設(shè)備的故障或損壞，尤其是計算機芯片、集成電路等等。雷擊損害是靜電放電的極端，它的危害范圍更大。

靜電放電產(chǎn)生的是一種高頻電磁場。靜電放電對電路造成的影響有兩個機理，一個是靜電放電電流直接流進電路，影響電路的工作，乃至損壞電路硬件；另一個是靜電放電路徑附近產(chǎn)生很強的電磁場，對電路造成影響。

3 靜電場和靜電放電的防護

3.1 靜電放電的防護

對靜電放電的防護通常采用二種方法：一是堵，即堵滲式防護，加強介質(zhì)絕緣不讓靜電放出。二是疏，即導(dǎo)流式防護，用外殼良好接地，讓靜電在建立起足以能達到危害程度的電磁場前，直接導(dǎo)入大地。

3.2 靜電場的防護

上述無論使用哪種屏障，靜電場的問題都不能解決。使用金屬擋板時的不同點是，當(dāng)放電發(fā)生后，電場是在擋板和器件之間，而不是在人體和器件之間。

要徹底解決靜電場的問題和電荷注入問題，必須將系統(tǒng)（包括電纜）完全包圍起來，或者將金屬擋板接地。

4 靜電放電的硬件解決方法

靜電放電效應(yīng)可劃分成以下三個部分：靜電放電之前靜電場的效應(yīng)；放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)；靜電放電電流產(chǎn)生的場效應(yīng)。實踐表明：對靜電場的防護主要由屏蔽效果來決定；如果有良好的接地系統(tǒng)可有效地減小靜電放電所產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)；對PCB產(chǎn)生影響最大的主要是第三種效應(yīng)。

4.1 結(jié)構(gòu)的ESD防護設(shè)計

為避免由于殼體搭接接觸阻抗引起的電壓降Vab（見圖1），或當(dāng)ab的距離較遠時，建議電路的零位參考點單點接地Vb。將殼體內(nèi)電路單點接地是一個實用有效的方法。

為防止靜電經(jīng)殼體縫隙對電路板的放電，建議在殼體縫隙內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)電內(nèi)襯并就近接地（見圖2）。導(dǎo)電內(nèi)襯材料的導(dǎo)電率應(yīng)與殼體材料的導(dǎo)電率相仿。

在被保護的導(dǎo)線上串接鐵氧體磁珠能有效地抵抗靜電放電電流的侵入（見圖3）。當(dāng)然，鐵氧體磁珠的材料是與欲抑制的放電電流頻率有關(guān)。

當(dāng)殼體內(nèi)電路與殼體有較大的電位差時，可能出現(xiàn)殼體內(nèi)的二次放電（見圖4）。要避免這類情況的出現(xiàn)，可采取以下四個方法：一是使用非金屬殼體；二是將電路的地與殼體聯(lián)接；三是進一步減小殼體的接地阻抗（如增加搭接面積、環(huán)型接地、就近接地等）；四是采用雙重屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計等等。

就近防護或接地可提高顯著提高防護效果。其原理見圖5，過長的接地距離，一是增加了接地阻抗；二是將放電的影響范圍擴大了。

鍵盤與控制面板的防護設(shè)計實例在絕緣面板與電路板之間增加一層導(dǎo)電的隔離板，將可能產(chǎn)生的靜電放電能量直接引入大地。

液晶顯示屏的ESD防護，要求液晶顯示屏四周用金屬框保護，并用環(huán)型接地線來加強金屬框的靜電保護作用。環(huán)型接地線要就近接地。

4.2 系統(tǒng)間的ESD防護設(shè)計

系統(tǒng)間ESD防護接地系統(tǒng)的設(shè)計特例：電纜的靜電放電防護，通常，對屏蔽線的靜電防護采用屏蔽層與機箱進行良好的搭接后并接地；對無屏蔽的對稱線的靜電防護采用串接磁珠、端接TVS二極管、在系統(tǒng)的接線端口設(shè)置鐵氧體磁珠與高頻電容組合的去耦電路等。

4.3 PCB的ESD防護設(shè)計

通常，騷擾源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減小。（1）在源端使用濾波器以衰減信號；（2）在接收端使用濾波器以衰減信號；（3）增加距離以減小耦合；（4）降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合；（5）采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB板所提供的）耦合信號，使它們保持共模方式等。PCB的ESD防護設(shè)計通?？梢酝ㄟ^下述方式進行。

（1）保持環(huán)路面積最??；（2）使導(dǎo)線長度盡可能的短；（3）盡可能在PCB上使用完整的地線面；（4）加強電源線和地線之間的電容耦合；（5）隔離電子元件與靜電放電電荷源；（6）PCB上的機殼地線的阻抗要低、隔離要好。

5 靜電放電設(shè)計實例

通過長期對在消防車控制系統(tǒng)回路靜電放電的測試結(jié)果表明：消防車控制系統(tǒng)回路對穩(wěn)定強電場的敏感度要遠小于突變電場。因此，對消防車控制系統(tǒng)電路的防突變脈沖設(shè)計顯得尤為重要。而對消防車控制系統(tǒng)電路的防重點又在于傳感器輸出電路。鑒于靜電放電抗擾度試驗時對放電部位的選擇和放電電壓等級，為防止放電火花落在消防車控制系統(tǒng)回路內(nèi)部，建議采取下列對應(yīng)措施和設(shè)計原則：（1）在消防車控制系統(tǒng)回路應(yīng)具備良好的接地條件，接地線截面大于等于電源線截面。機內(nèi)各接地點采用單點接地。接地線不與控制線、信號線平行敷設(shè)。（2）對主控面板（或顯示面板）外殼四周縫隙，應(yīng)進行延長爬電距離設(shè)計或進行電密封設(shè)計。若主控面板（或顯示面板）外殼是由金屬制成的，則一定要求有專用的接地屏蔽線與機殼的接地端聯(lián)接。（3）在電路中加強對傳感器輸出電路和CPU周圍的去耦設(shè)計等。不讓外界產(chǎn)生的放電脈沖經(jīng)耦合導(dǎo)入，使傳感器輸出端的放大電路誤動作或出現(xiàn)CPU復(fù)位或死機的狀況。通常要求對傳感器輸出端的放大電路和CPU周圍的控制電路進行電磁防護，實踐表明：加金屬板外殼防護是一種比較有效的方法。（4）軟鍵盤及塑貼控制面板的介電強度應(yīng)大于15kV。軟鍵盤及塑貼控制面板與控制線路板之間，必須要有良好的絕緣層。（5）對與電源線、接地線平行敷設(shè)的控制線、信號線（如傳感器輸出線）等應(yīng)進行屏蔽處理。（6）各接地部位（點）應(yīng)考慮防震設(shè)計，保證接地線、點的金屬接觸面積，金屬接觸面積的大小應(yīng)滿足第a條中的有關(guān)描述。（7）對進、出主板的所有線纜（12VAC進線、6VDC進線、傳感器輸出線、顯示板數(shù)據(jù)線等）進行去耦處理，如串接磁環(huán)、磁套和設(shè)置去耦電容等。（8）設(shè)計時應(yīng)將在消防車控制系統(tǒng)回路體內(nèi)主板的安放位置遠離縫隙周邊和不騎于金屬盤的投影邊界。

6 結(jié)束語

消防車控制系統(tǒng)回路的靜電防護或靜電放電控制，首先要從靜電放電的防護及設(shè)計著手，通過EMC測試不斷優(yōu)化元器件在產(chǎn)品內(nèi)部的工作條件。然后根據(jù)測試結(jié)果按電磁騷擾的分布情況，采用相適應(yīng)的控制措施，以取得最佳的工作效能。就產(chǎn)品的制造商來說，在電子產(chǎn)品的設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮產(chǎn)品設(shè)計對EMC影響，這樣從經(jīng)濟、技術(shù)意義上來講，這是最佳的電子產(chǎn)品EMC控制方法。

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