李德亮　沈堅(jiān)敏

摘 要：文章根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗(yàn)，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(hù)、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(hù)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：靜電放電；防護(hù)設(shè)計(jì)；硬件解決方法；消防車

中圖分類號(hào)：X913 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(huì)活動(dòng)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(qiáng)，就容易受到靜電的干擾，嚴(yán)重的可能會(huì)被損壞。因此，電磁兼容的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，會(huì)用各種方法，來(lái)解決靜電放電的問(wèn)題，并通過(guò)進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的抗靜電能力。本文就靜電放電的防護(hù)及設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行探討。

消防車作為最重要的搶險(xiǎn)救援裝備，其靜電放電防護(hù)性能設(shè)計(jì)顯得尤為重要，直接關(guān)系到搶險(xiǎn)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(kāi)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(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的放電電流及其電磁場(chǎng)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(jì)算機(jī)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(chǎng)。靜電放電對(duì)電路造成的影響有兩個(gè)機(jī)理，一個(gè)是靜電放電電流直接流進(jìn)電路，影響電路的工作，乃至損壞電路硬件；另一個(gè)是靜電放電路徑附近產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，對(duì)電路造成影響。

3 靜電場(chǎng)和靜電放電的防護(hù)

3.1 靜電放電的防護(hù)

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

3.2 靜電場(chǎng)的防護(hù)

上述無(wú)論使用哪種屏障，靜電場(chǎng)的問(wèn)題都不能解決。使用金屬擋板時(shí)的不同點(diǎn)是，當(dāng)放電發(fā)生后，電場(chǎng)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(chǎng)的問(wèn)題和電荷注入問(wèn)題，必須將系統(tǒng)（包括電纜）完全包圍起來(lái)，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(gè)部分：靜電放電之前靜電場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)。實(shí)踐表明：對(duì)靜電場(chǎng)的防護(hù)主要由屏蔽效果來(lái)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(duì)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(hù)設(shè)計(jì)

為避免由于殼體搭接接觸阻抗引起的電壓降Vab（見(jiàn)圖1），或當(dāng)ab的距離較遠(yuǎn)時(shí)，建議電路的零位參考點(diǎn)單點(diǎn)接地Vb。將殼體內(nèi)電路單點(diǎn)接地是一個(gè)實(shí)用有效的方法。

為防止靜電經(jīng)殼體縫隙對(duì)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(jiàn)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(hù)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(jiàn)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(shí)，可能出現(xiàn)殼體內(nèi)的二次放電（見(jiàn)圖4）。要避免這類情況的出現(xiàn)，可采取以下四個(gè)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(jìn)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(jì)等等。

就近防護(hù)或接地可提高顯著提高防護(hù)效果。其原理見(jiàn)圖5，過(guò)長(zhǎng)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(kuò)大了。

鍵盤與控制面板的防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)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(hù)，要求液晶顯示屏四周用金屬框保護(hù)，并用環(huán)型接地線來(lái)加強(qiáng)金屬框的靜電保護(hù)作用。環(huán)型接地線要就近接地。

4.2 系統(tǒng)間的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)間ESD防護(hù)接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特例：電纜的靜電放電防護(hù)，通常，對(duì)屏蔽線的靜電防護(hù)采用屏蔽層與機(jī)箱進(jìn)行良好的搭接后并接地；對(duì)無(wú)屏蔽的對(duì)稱線的靜電防護(hù)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(hù)設(shè)計(jì)

通常，騷擾源與接收電路之間的場(chǎng)耦合可以通過(guò)下列方式之一減小。（1）在源端使用濾波器以衰減信號(hào)；（2）在接收端使用濾波器以衰減信號(hào)；（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(hào)，使它們保持共模方式等。PCB的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)通?？梢酝ㄟ^(guò)下述方式進(jìn)行。

（1）保持環(huán)路面積最??；（2）使導(dǎo)線長(zhǎng)度盡可能的短；（3）盡可能在PCB上使用完整的地線面；（4）加強(qiáng)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(jī)殼地線的阻抗要低、隔離要好。

5 靜電放電設(shè)計(jì)實(shí)例

通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)在消防車控制系統(tǒng)回路靜電放電的測(cè)試結(jié)果表明：消防車控制系統(tǒng)回路對(duì)穩(wěn)定強(qiáng)電場(chǎng)的敏感度要遠(yuǎn)小于突變電場(chǎng)。因此，對(duì)消防車控制系統(tǒng)電路的防突變脈沖設(shè)計(jì)顯得尤為重要。而對(duì)消防車控制系統(tǒng)電路的防重點(diǎn)又在于傳感器輸出電路。鑒于靜電放電抗擾度試驗(yàn)時(shí)對(duì)放電部位的選擇和放電電壓等級(jí)，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(duì)應(yīng)措施和設(shè)計(jì)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(jī)內(nèi)各接地點(diǎn)采用單點(diǎn)接地。接地線不與控制線、信號(hào)線平行敷設(shè)。（2）對(duì)主控面板（或顯示面板）外殼四周縫隙，應(yīng)進(jìn)行延長(zhǎng)爬電距離設(shè)計(jì)或進(jìn)行電密封設(shè)計(jì)。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(jī)殼的接地端聯(lián)接。（3）在電路中加強(qiáng)對(duì)傳感器輸出電路和CPU周圍的去耦設(shè)計(jì)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(dòng)作或出現(xiàn)CPU復(fù)位或死機(jī)的狀況。通常要求對(duì)傳感器輸出端的放大電路和CPU周圍的控制電路進(jìn)行電磁防護(hù)，實(shí)踐表明：加金屬板外殼防護(hù)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(qiáng)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(duì)與電源線、接地線平行敷設(shè)的控制線、信號(hào)線（如傳感器輸出線）等應(yīng)進(jìn)行屏蔽處理。（6）各接地部位（點(diǎn)）應(yīng)考慮防震設(shè)計(jì)，保證接地線、點(diǎn)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(duì)進(jìn)、出主板的所有線纜（12VAC進(jìn)線、6VDC進(jìn)線、傳感器輸出線、顯示板數(shù)據(jù)線等）進(jìn)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(jì)時(shí)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(yuǎn)離縫隙周邊和不騎于金屬盤的投影邊界。

6 結(jié)束語(yǔ)

消防車控制系統(tǒng)回路的靜電防護(hù)或靜電放電控制，首先要從靜電放電的防護(hù)及設(shè)計(jì)著手，通過(guò)EMC測(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)充分考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)EMC影響，這樣從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)意義上來(lái)講，這是最佳的電子產(chǎn)品EMC控制方法。

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