電磁兼容性試驗(yàn)中對靜電放電的整改探討

劉心 余元駿 郭綺

摘要：文章簡單介紹了靜電放電的本質(zhì)及其危害，對靜電在設(shè)備中的耦合進(jìn)行了分析。之后，針對靜電的耦合路徑探討了幾種較為常見的整改方案。

關(guān)鍵詞：靜電放電;耦合路徑;整改思路

中圖分類號：TP211⁺.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0102-04

1靜電放電及其常見危害

靜電放電在生活和工作中是一種較為常見的一種電磁現(xiàn)象，其本質(zhì)為具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸時產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移。在電磁兼容性的靜電放電試驗(yàn)中，主要是模擬人體接觸設(shè)備時的放電。

由表1、2可知，在日常環(huán)境中，人體所產(chǎn)生靜電荷的電壓是比較高的。而當(dāng)這種高電位電荷在從人體到儀器設(shè)備轉(zhuǎn)移時，就會干擾數(shù)字信號的傳輸、芯片的正常工作，嚴(yán)重的時甚至?xí)苯訐舸└呔艿募尚酒?/p>

2靜電干擾的實(shí)質(zhì)

橫截面較小的導(dǎo)線上的高頻電流的趨膚效應(yīng)明顯，對于含有高頻成分的靜電電流而言，此類導(dǎo)體呈現(xiàn)高阻的狀態(tài)。當(dāng)電流流過時，將會在此導(dǎo)體上產(chǎn)生一個高電壓。在數(shù)字電路中，各芯片管腳和數(shù)據(jù)總線上的電壓均有嚴(yán)格的定義和要求，而此高電壓的存在就違背了這種要求，造成了芯片不能正常工作或不能正確識別數(shù)據(jù)總線上的信號，這就是靜電干擾的實(shí)質(zhì)。

3對靜電干擾的整改

對于靜電放電試驗(yàn)中不合格情況的整改，一般都通過改變其耦合路徑來實(shí)現(xiàn)。只要靜電電流不再耦合到對其敏感的芯片上，該整改就是有效的。

改變靜電的耦合路徑一般分為2種：“堵”和“疏”。所謂“堵”，即是中斷靜電傳輸通路。比如在機(jī)殼的縫隙此填充絕緣材料，使得空氣放電時，靜電電流不能從此間流過。而“疏”，則是改變靜電電流的流向，使其不再流動到敏感元件上，從而達(dá)到整改的目的。

3.1實(shí)例一

圖1為一個手持式紅外體溫計(jì)的顯示屏的正面部分。由于該顯示屏為醫(yī)療用途，故空氣放電時施加的最高電壓為8kV。因放電電壓較高且主板電路與顯示屏之間的空氣間隙較小，故靜電從顯示屏周圍的縫隙耦合到的顯示屏背部的金屬襯板（見圖2），繼而進(jìn)一步擊穿此空氣間隙并耦合到主板上的敏感元件（見圖3），使得設(shè)備不能正常運(yùn)行。

針對此種情況，整改分以下步驟進(jìn)行：

第1步將顯示屏背部的金屬襯板和后面疑似會耦合靜電的主板電路貼上絕緣膠布（見圖4、圖5），以增強(qiáng)對靜電的絕緣——此舉使得靜電不能直接耦合到敏感元件或信號電路上。

第2步屏幕的背面貼上鋁箔（見圖6），其位置與圖5主板上的對地回路貼合——其目的在于加強(qiáng)屏幕背面與對地回路的導(dǎo)電性。

第3步在機(jī)殼內(nèi)屏幕正面的邊緣處也貼上銅箔（見圖7）。同時，要保證正面和背面金屬襯板的鋁箔處于相互貼合的狀態(tài)。

通過以上3個步驟，一方面使得靜電不能直接從縫隙耦合到敏感元件。另一方面，能讓施加到屏幕邊緣縫隙處的靜電通過鋪設(shè)的鋁箔直接泄放到對地回路上。重新組裝后，該設(shè)備順利通過了靜電放電試驗(yàn)。

3.2實(shí)例二

圖8為某一印制板的走線實(shí)例。由圖8可知，該印制板的蛇型走線數(shù)量較多且比較密集。在這樣的情況下，該蛇形走線也較為容易耦合到施加在設(shè)備外殼或端口處的靜電，并導(dǎo)致工作異常。

明確了原因后，將蛇形走線改短并將電路板更改為多層的結(jié)構(gòu)，同時，在蛇型走線和地線之間接人了泄放電容（見圖9）。如此一來，一方面減小了耦合到的靜電;另一方面耦合到蛇型走線的靜電被泄放到對地回路上，從而使設(shè)備恢復(fù)了正常工作。

4安裝泄放電容時應(yīng)注意的問題

1）由于泄放電容是安裝在敏感元件/線路和地線回路之間，所以對地漏電流均有所增大，且容值越大對地漏電流越大。對不同的產(chǎn)品而言，其對應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)所要求的對地漏電流限值是不同的。例如，標(biāo)準(zhǔn)GB9706.1規(guī)定：正常狀態(tài)下的對地漏電流不得超過0.5mA。因此，電容數(shù)值的選取應(yīng)控制在不使對地漏電流增大到超過相應(yīng)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)所要求的限值范圍內(nèi)。

2）應(yīng)謹(jǐn)慎選擇電容的安裝位置。電路的結(jié)構(gòu)千差萬別，對于泄放電容的安裝，應(yīng)結(jié)合電路的實(shí)際情況進(jìn)行。

如圖10所示，+6kV的靜電施加在了USB端口處的可接觸金屬外殼上（該設(shè)備對正極性的靜電荷十分敏感）。由于該外殼與地線連接，故靜電電流會通過寄生電容耦合到其他電路上。

在這個案列中，由于設(shè)計(jì)人員沒有對電路進(jìn)行仔細(xì)的勘察和分析，生硬地將泄放電容安裝在受干擾的電路和地線之間，結(jié)果不但沒有改變靜電的耦合途徑，反而加大了靜電的耦合程度，進(jìn)一步加大了靜電的危害。

作為補(bǔ)救措施，可將泄放電容加到下方的對地回路與主板電路之間，同時，在外部接口處的連接線上加裝高頻扼流圈——其作用主要為抑制高頻電流，且安裝位置應(yīng)緊跟在外部端口之后（如圖11所示）。這樣，通過“堵”與“疏”并舉，協(xié)同解決問題。

5外殼上按鈕、操作面板的靜電防護(hù)

1）采用耐高壓的絕緣材料構(gòu)成的薄膜按鍵和面板，可有效防止靜電通過按鍵進(jìn)入內(nèi)部電路。

2）對于鋼琴按鍵，可在按鍵的內(nèi)部裝上耐高壓的絕緣材料構(gòu)成襯墊。

3）對于某些對靜電場敏感的設(shè)備，可在按鈕、操作面板的下方加裝導(dǎo)電聚酯膜。由于該薄膜的表面覆蓋有導(dǎo)電層，因此能有效地將靜電場屏蔽。同時，在使用時應(yīng)注意導(dǎo)電層接地的良好性。

6結(jié)語

一般情況下，家用電器產(chǎn)品和醫(yī)用電器產(chǎn)品的靜電放電測試均是在產(chǎn)品的外殼部分進(jìn)行。因此，分析靜電從產(chǎn)品表面到內(nèi)部的耦合路徑成為靜電整改的前提，而改變其耦合路徑是靜電整改的關(guān)鍵。在進(jìn)行整改時，整改元件的布置一定要根據(jù)電路的實(shí)際情況進(jìn)行，切不可生搬硬套，否則其結(jié)果往往會適得其反。