臺(tái)站中的靜電防護(hù)和浪涌防護(hù)

李濱 趙北林 黃玨光 羅歡

（1.廣西廣播電視技術(shù)中心桂林分中心；2.廣西廣播電視無線傳播樞紐臺(tái)）

一、引言

不論是自然界的天氣環(huán)境，還是室內(nèi)的電氣設(shè)備使用，都有可能在電子線路中產(chǎn)生靜電效應(yīng)和浪涌效應(yīng)，這些都是電子設(shè)備的隱形殺手。對(duì)應(yīng)的防護(hù)設(shè)備和措施以及發(fā)展了很久，效果也日趨完善，但是還是不能百分百的保證電子器件和電路不會(huì)被損壞。

沒有什么保護(hù)措施是可以一步到位的，我們需要系統(tǒng)的，全面的把不同的保護(hù)器件結(jié)合起來，按照分級(jí)、定點(diǎn)、精細(xì)的原則，才能將對(duì)整體的電氣設(shè)備的故障率減少到最小。

二、臺(tái)站情況分析

隨著臺(tái)區(qū)電力維護(hù)工作的完善，對(duì)雷擊有三級(jí)防護(hù)和良好接地，高壓端后還設(shè)置了隔離變壓器和穩(wěn)壓器，機(jī)房的電氣環(huán)境日趨穩(wěn)定。但是，偶爾還是會(huì)有電子設(shè)備和器件產(chǎn)生故障，而這些故障器件大多是集成芯片，比如單片機(jī)、通信芯片、控制芯片等。造成這些故障的主因，就是靜電和浪涌。

機(jī)房中的電氣設(shè)備眾多，電磁環(huán)境復(fù)雜，再加上全屋空調(diào)保證了較為干燥的室內(nèi)環(huán)境，雖然器件間短路的概率降低了，但是靜電積累和放電的概率反而會(huì)有所提高。此外，雖然不論是市電前端的穩(wěn)壓器，還是柴油發(fā)電機(jī)和UPS自帶的穩(wěn)壓器，很大程度上保證了電力的平穩(wěn)性，但是還會(huì)有部分時(shí)候產(chǎn)生浪涌電流流入電流中，且沒有被及時(shí)的泄放或者吸收掉，所以才會(huì)對(duì)器件造成了損壞。

如何在現(xiàn)有的線路和設(shè)備上，較快的泄放或者吸收掉潛在的靜電和浪涌隱患，是一個(gè)需要重視并且結(jié)合實(shí)際深入研究的議題。

三、解決思路分析

靜電是一種自然現(xiàn)象，接觸、摩擦、電器間感應(yīng)的情況都有可能產(chǎn)生靜電，雖然靜電是瞬態(tài)的，電量低，電流小，時(shí)間短，但是其電壓很高，可以達(dá)到幾千伏甚至上萬伏。而隨著科技進(jìn)步，芯片的集成度越來越高，體積越來越小，其柵極氧化層的厚度也越來越薄，這就大大降低了芯片自身的抗靜電擊穿能力，這也就是一般芯片的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電子器件的原因。

而浪涌不同于靜電放電，相當(dāng)于靜電來說，其峰值電壓低，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電流更加大。急劇變化的電磁場(chǎng)就可以通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生浪涌電流，因此雷擊、開關(guān)機(jī)、電網(wǎng)異常，甚至是大功率設(shè)備的狀態(tài)變化，都有可能感應(yīng)出浪涌電流。

現(xiàn)在的電氣設(shè)備，其自帶的電源都有一定的靜電防護(hù)和浪涌防護(hù)能力，但是其一能力有限，其二有時(shí)候電源雖然穩(wěn)定，但是線路環(huán)路較長(zhǎng)，遠(yuǎn)端的感應(yīng)電流來不及被泄放或者吸收，所以還是會(huì)有器件，尤其是芯片故障。

因此可靠的泄放和吸收的能力才是防護(hù)的關(guān)鍵，而且要細(xì)致到每一個(gè)模塊，每一個(gè)電路，甚至是每一個(gè)芯片上，才能將故障率盡可能的降低。

四、解決方案設(shè)想

以發(fā)射機(jī)常用的通信協(xié)議盒為例，相較于其他機(jī)房設(shè)備，這個(gè)設(shè)備的故障率是很高的，雖然里面的器件模塊不復(fù)雜，只有相應(yīng)的主控板和電源模塊，余下的就是繼電器和IO接線，但經(jīng)常因?yàn)槠渲骺匕骞收隙ㄐ攀?。協(xié)議盒內(nèi)部電路如圖1所示。

圖1 通信協(xié)議盒內(nèi)部

經(jīng)過檢測(cè)，大部分故障是因?yàn)橥ㄐ判酒琈AX484損壞，少部分則是單片機(jī)損壞，芯片并沒有的明顯功率故障現(xiàn)象（比如芯片或者周圍器件發(fā)熱發(fā)燙鼓包開裂等），因此可以推論出很大可能是因?yàn)殪o電擊穿或者浪涌燒毀。由圖1可知，電路板和連接器之間是通過排線連接的，環(huán)路較大，而且缺少相應(yīng)的防護(hù)電路，容易在線路上產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果峰值過大，則有可能損毀與之連接的芯片。因此，可以在不同的IO口接線端處，加裝防護(hù)芯片，比如圖2所示的IO口ESD（靜電釋放）電路，電路連接簡(jiǎn)單，只需要預(yù)留好IO口的排線接口和供電接口，就可以串聯(lián)接入原有的連線上面，不需要更多的改動(dòng)。

圖2 IO口靜電防護(hù)電路

此外，要想達(dá)到更好的效果，還可以將連接線包上錫箔紙，然后兩端接地，可以良好的屏蔽掉外部電磁波動(dòng)。如果空間允許，還可以增加氣體放電管（第一級(jí)防護(hù)，泄放大電流），小電阻（第二級(jí)防護(hù)，限流，并且在第一級(jí)與第三級(jí)間產(chǎn)生一個(gè)壓降），TVS管（即瞬態(tài)抑制二極管，第三級(jí)防護(hù)，可足夠快地保護(hù)后面的固態(tài)電路，將電壓鉗位在一個(gè)安全的水平，從而保護(hù)數(shù)據(jù)線）三種器件所構(gòu)成的三級(jí)防護(hù)電路，進(jìn)一步增強(qiáng)防護(hù)電路的泄放和吸收能力，電路圖如圖3所示。

五、前景設(shè)想

結(jié)合臺(tái)站實(shí)際情況，不只是采集器和協(xié)議盒，臺(tái)站中涉及到通過排線連接不同電路模塊的設(shè)備，都可以在上面串聯(lián)加裝ESD電路和三級(jí)防護(hù)電路，尤其是涉及到通信的MAX232、MAX485和網(wǎng)線模塊，更應(yīng)該加裝防護(hù)，因?yàn)樗鼈兙€路環(huán)路長(zhǎng)，積累的感應(yīng)能量更強(qiáng)，如果不及時(shí)的進(jìn)行泄放和吸收，潛在隱患會(huì)非常之大。

圖3 浪涌三級(jí)防護(hù)電路