安防產(chǎn)品靜電放電抗擾度試驗(yàn)及防護(hù)技術(shù)研究

■ 文/公安部檢測中心 吳芳 謝峰

關(guān)鍵字：安防產(chǎn)品 靜電放電抗擾度 電磁兼容

1 引言

隨著安防行業(yè)的迅速發(fā)展，近年來安防產(chǎn)品在社會公共安全領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣，成效越來越顯著。為了更好保障安防產(chǎn)品的質(zhì)量和應(yīng)用成效，檢測成為安防電子產(chǎn)品的重要驗(yàn)證方式。安防產(chǎn)品的檢測項(xiàng)目通常包括產(chǎn)品的功能和性能、環(huán)境適應(yīng)性、安全性和電磁兼容性等方面。其中，電磁兼容性中的靜電放電（ESD）抗擾度是驗(yàn)證安防產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，此項(xiàng)試驗(yàn)主要是為模擬安防產(chǎn)品遭受來自操作者和對鄰近物體的靜電放電干擾，檢驗(yàn)對產(chǎn)品功能和性能造成的影響。

2 靜電放電及其危害

靜電放電是常見的電磁兼容（EMC）問題，其實(shí)質(zhì)是不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移，具有高電位、瞬時大電流的特點(diǎn)。靜電放電具有一定的危害性，一種危害是可直接通過能量交換造成電子設(shè)備產(chǎn)生故障，損壞電子元器件，特別是CMOS集成電路、場效應(yīng)晶體管等敏感性元器件受到靜電放電干擾時導(dǎo)致性能下降，甚至擊穿；另一種危害是引起產(chǎn)品內(nèi)部電場與磁場變化，產(chǎn)生高幅值、寬頻帶的電磁輻射，這種電磁輻射干擾通過多種途徑耦合到電子控制設(shè)備，干擾信息和數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，導(dǎo)致控制設(shè)備誤動作、顯示錯誤、信息丟失、設(shè)備性能下降、設(shè)備程序運(yùn)行紊亂等現(xiàn)象。

在日常檢測過程中，安防產(chǎn)品在進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)時常見故障有以下幾種情況：一種是試驗(yàn)過程中出現(xiàn)功能的降低或喪失，但在騷擾停止后，樣品能自行恢復(fù)，如數(shù)字硬盤錄像機(jī)的重啟，監(jiān)控設(shè)備畫質(zhì)變差再恢復(fù)等等；另一種是試驗(yàn)中安防產(chǎn)品存在損壞但不能自行恢復(fù)，如指紋采集設(shè)備損壞不能正常采集指紋，報(bào)警設(shè)備出現(xiàn)誤報(bào)警等等。

3 安防產(chǎn)品靜電放電抗擾度試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)

靜電放電抗擾度試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)主要有《GB/T 17626.2－2006 電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》和《GB/T 19951-2005 道路車輛 靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗(yàn)方法》。在安防電子產(chǎn)品的GA行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般均采用GB/T 17626.2進(jìn)行產(chǎn)品靜電放電抗擾度試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)中對標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、靜電放電試驗(yàn)的術(shù)語和定義、試驗(yàn)等級、試驗(yàn)發(fā)生器、試驗(yàn)配置、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)和試驗(yàn)報(bào)告等方面作出了規(guī)定。

4 安防產(chǎn)品靜電放電抗擾度試驗(yàn)

靜電放電抗擾度試驗(yàn)中主要包含試驗(yàn)設(shè)備的原理，試驗(yàn)等級，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)配置及注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)實(shí)施和注意事項(xiàng)等方面的內(nèi)容。

4.1 靜電放電發(fā)生器

圖1 靜電放電發(fā)生器簡圖

靜電放電模擬器的放電電極頭應(yīng)配置Φ8半球形電極頭（用于空氣放電）和Φ12錐形電極頭（用于接觸放電）。

4.2 靜電放電抗擾度試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級

安防電子產(chǎn)品的靜電放電試驗(yàn)等級如表1所示：

表1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)等級

4.3 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)配置及注意事項(xiàng)

4.3.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)布置

為了更好的模擬實(shí)際情況，靜電放電抗擾度標(biāo)準(zhǔn)中對實(shí)驗(yàn)室的布置要求如下：

a）接地參考平面，材料為0.25mm以上的銅板或鋁板，在選用其它金屬材料時，厚度至少是0.65mm，參考接地板長寬尺寸不限，最小尺寸為1m2，但要求四邊超出試驗(yàn)桌面水平耦合板或地面設(shè)備每一邊0.5m以上，并和實(shí)驗(yàn)室保護(hù)地相連；

b）水平耦合板（HCP）和垂直耦合板（VCP）（采用與接地參考平面相同的金屬和厚度）；

c）兩端各帶有470kΩ電阻的靜電泄放電纜兩根，分別接在水平耦合板和垂直耦合板與接地平板之間；

d）0.8m高的木桌及絕緣墊（厚度0.5mm），用于臺式設(shè)備；

e）絕緣架（高度0.1m），用于落地式設(shè)備。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)場地布置注意事項(xiàng)

a）在距受試設(shè)備1m以內(nèi)應(yīng)無墻壁和其他金屬物品（包括儀器）；

b）不允許有額外的接地線；

c）靜電發(fā)生器的接地回線與受試設(shè)備表面至少保持0.2m的間距，避免相互間有附加感應(yīng)，影響試驗(yàn)結(jié)果。

4.4 試驗(yàn)實(shí)施及注意事項(xiàng)

按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)時分為以下步驟：

第一步：明確受試設(shè)備的典型工作條件

試驗(yàn)應(yīng)在設(shè)備的典型工作條件下進(jìn)行，受試設(shè)備的典型工作條件應(yīng)為表征設(shè)備基本功能的最為嚴(yán)酷的工作狀態(tài)。

第二步：選取測試點(diǎn)

靜電放電方式分為直接放電和間接放電。直接放電只施加在正常使用時人員可接觸到的受試設(shè)備上的點(diǎn)和面，間接放電施加于水平耦合板和垂直耦合板。

直接放電的測試點(diǎn)應(yīng)選擇在受試設(shè)備在正常使用過程中人接觸到設(shè)備表面或設(shè)備的突出部位，通常包括：面板、門、設(shè)備零部件上暴露的結(jié)構(gòu)框架區(qū)域、控制板、按鈕、鍵盤、鍵盤區(qū)、拉拔環(huán)、指示燈和發(fā)光二極管、開關(guān)電路斷路器、易接近的保險(xiǎn)絲和保險(xiǎn)絲固定器（支架）、開關(guān)、靜電手環(huán)的插座、為金屬插座設(shè)計(jì)的插孔（槽）、金屬微型連接器、測試電工插座等。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，插孔、插座、連接器和其他的一些插座作為測試點(diǎn)應(yīng)該安裝上與之相配合的連接器或者電纜，并且在暴露的表面上進(jìn)行靜電放電測試。相反，如果這些插孔、插座、連接器和其他的一些插座沒有正常安裝與它們相配合的連接器或者電纜，那么靜電放電電極尖端不能插入這些孔或者可接觸的區(qū)域進(jìn)行放電。

測試點(diǎn)不應(yīng)包括下述點(diǎn)位：

a）在維修時才接觸到的點(diǎn)和表面；

b）最終用戶保養(yǎng)時接觸到的點(diǎn)和表面；

c）設(shè)備安裝固定后或按使用說明使用后不再能接觸到的點(diǎn)和面；

d）外殼為金屬的同軸連接器和多芯連接器可接觸到的點(diǎn)，僅對連接器的外殼施加接觸放電。非導(dǎo)電連接器內(nèi)可接觸到的點(diǎn)，應(yīng)只進(jìn)行空氣放電；

e）由于功能原因?qū)o電放電敏感并有靜電放電警告標(biāo)簽的連接器或其他接觸部分可接觸到的點(diǎn)；

f）如設(shè)備制造廠家未說明表面涂漆為絕緣層，則發(fā)生器的電極頭應(yīng)穿入漆膜，以便與導(dǎo)電層接觸。如廠家指明涂漆是絕緣層，則應(yīng)只進(jìn)行空氣放電。

第三步：靜電放電實(shí)施

在正式測試前，可用20次/秒的放電速率進(jìn)行預(yù)測試，對被試設(shè)備表面試探一遍，目的是找出設(shè)備對靜電放電敏感的部位。試探過程中有引起設(shè)備數(shù)顯跳動、誤報(bào)警、動作異常跡象的部位都作為正式試驗(yàn)考察部位。

正式測試時，按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定優(yōu)先采用接觸放電的放電方式，空氣放電則用在不能使用接觸放電的情況下。試驗(yàn)過程中放電的時間間隔和次數(shù)要根據(jù)受試設(shè)備的情況采取不同的方式。對于有接地的設(shè)備，試驗(yàn)中可以以連續(xù)放電的方式進(jìn)行，每次間隔1s以或者其他規(guī)定的時間間隔。對于沒有接地的設(shè)備，在試驗(yàn)過程中應(yīng)進(jìn)行單次放電，放電的時間間隔應(yīng)保證前一次放電的電荷在設(shè)備上已經(jīng)泄放完成，避免電荷的積累使得放電點(diǎn)的電壓增加影響試驗(yàn)結(jié)果。對選定點(diǎn)以正極性和負(fù)極性在每個最敏感上至少施加10次放電。試驗(yàn)電壓要由低到高逐漸增加到規(guī)定值。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果判定

按照電磁兼容抗擾度標(biāo)準(zhǔn)的要求，靜電放電抗擾度試驗(yàn)結(jié)果也分為以下4級：

A：在制造商、委托方或購買方規(guī)定的限值內(nèi)性能正常；

B：功能或性能暫時降低或喪失，但在騷擾停止后能自行恢復(fù)，不需操作者干預(yù)；

C：功能或性能暫時降低或喪失，但需操作人員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位；

D：因設(shè)備或軟件的損壞，或數(shù)據(jù)喪失而造成不能自行恢復(fù)至正常狀態(tài)的功能降低或喪失。

在安防產(chǎn)品的日常檢測過程中，試驗(yàn)結(jié)果判定應(yīng)符合行業(yè)要求。一般安防行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的判定依據(jù)是A或B，即可接收最低情況下受到干擾后能自行恢復(fù)。判據(jù)C在極特殊的情況下做為合格判據(jù)，判據(jù)D一般作為不合格判據(jù)。

5 靜電放電防護(hù)措施

靜電放電引起的干擾實(shí)質(zhì)是多種途徑產(chǎn)生了電荷的轉(zhuǎn)移，影響了產(chǎn)品電路的正常運(yùn)行。解決靜電放電干擾的主要方法是“疏”和“堵”。“疏”即是電荷疏導(dǎo)，防止電荷積累；“堵”即是防止靜電放電對電路放電。大部分的靜電放電防護(hù)措施基本都是從這兩點(diǎn)著手，下面介紹一些常見的靜電放電防護(hù)措施。

5.1 接地

接地是直接將靜電放電電荷通過導(dǎo)線連接泄放到大地，是靜電放電防護(hù)措施中最直接、最有效的方法。對金屬外殼而言，外殼各部件之間的搭接非常重要，搭接路徑要保持低阻抗，在預(yù)計(jì)有靜電放電的電流經(jīng)過的部位采用多點(diǎn)接地，對不會有靜電電流流過的部位采用單點(diǎn)接地；電纜連接器的外殼、電纜線的屏蔽層和金屬開關(guān)外殼要與金屬機(jī)箱良好連接，而且離開機(jī)箱接地點(diǎn)越近越好。

5.2 介質(zhì)隔離

通過絕緣材料把內(nèi)部電路和外界隔離開，也是靜電防護(hù)常用的防護(hù)措施之一。1mm厚的PVC塑料、ABS塑料及聚酯材料可以抵擋8kV的靜電電壓。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，2cm左右的空氣隙可以阻止靜電放電的發(fā)生。介質(zhì)隔離一方面防止直接對內(nèi)部電路放電，另一方面延長靜電放電的縫隙長度，對靜電電荷起到疏導(dǎo)作用。

5.3 屏蔽

對于靜電敏感的器件，可采用屏蔽罩來保護(hù)產(chǎn)品免受靜電放電影響。用一個金屬屏蔽體將敏感器件包圍，由于金屬是等電位體，被包圍的空間沒有靜電場存在，但屏蔽體要進(jìn)行良好的接地，使屏蔽體的靜電泄放，起到保護(hù)作用。

6 結(jié)語

通過上面的介紹，企業(yè)對安防產(chǎn)品的靜電放電試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)等級和試驗(yàn)方法等有更深的了解，為企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)提供更好的保障。