電子計價秤抗靜電放電問題分析

摘 要： 靜電的產生具有隱蔽性、潛在累積性，可能會造成電子產品工作異常、損壞，甚至引發其他的安全問題。在研發階段應對電子秤產品進行靜電放電抗擾度試驗，分析并驗證各種整改措施，為電子秤的后期開發提供必要的參考和依據。采用標準的試驗設備、環境及操作，對電子秤分別進行接觸放電和空氣放電試驗。結果表明：易受影響的關鍵模塊為A/D轉換器，產品的開發應著力于其選型和電路設計。

關鍵詞： 電子秤； 靜電放電； 抗擾度； A/D轉換器

中圖分類號： TN706?24 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）03?0136?03

0 引 言

木制秤取消后，電子計價秤因其能滿足“快速、準確、自動”的稱量要求，逐漸成為菜場、商店等經營場所購物結賬的必需品。實際生活中，周邊復雜的電磁環境容易使電子秤受到干擾，影響其稱量的準確性，使消費者在未知情的情況下多掏腰包[1?2]。一臺合格的電子秤要求能夠抑制這些干擾，并將它減小到國家標準允許的范圍內。本文針對電子秤的抗靜電放電問題進行分析，并提出整改方案。

1 靜電產生的主要原因及試驗室靜電放電模型

在運動過程中，人體與衣服發生摩擦，比如穿化學纖維制成的衣物就容易產生靜電。干燥的環境更有利于電荷的積累和轉移，特別是冬天，當空氣的相對濕度低于45%時，地板或工作臺上的膠板都有可能產生靜電。

為了評估電氣和電子設備遭受靜電放電時的性能，建立通用的和可重現的基準，國家標準GB/T17626.2?2006/IEC61000?4?2：2001規定了電氣和電子設備遭受直接來自操作者和對鄰近物體的靜電放電時的抗擾度要求和試驗方法[3]。標準中規定試驗時環境溫度控制在15～35 ℃，相對濕度控制在30%～60%。由于南北方氣候地域性差異，可以用除濕器和加濕器對濕度進行控制。將靜電放電分為接觸放電和空氣放電。以接觸放電為優先選擇。接觸放電的電流脈沖波上升時間為0.7 ns，比空氣放電快，其波形中的諧波成分更豐富，因此對設備考核更準確更嚴格。靜電放電發生器輸出電流波形如圖1所示。

對于臺式設備，受試設備放于絕緣襯墊上，絕緣襯墊位于水平耦合板上，施加靜電放電部位為受試設備上可觸及的金屬部分。試驗中測試的電子計價秤沒有接大地，其金屬部分和水平耦合板之間應使用帶泄放電阻的電纜連接，或者使用帶泄放電阻和碳纖刷的接地電纜。如圖2所示。

非自動秤通用檢定規程JJG555?1996對電子秤等在檢定和使用中做了更為詳細的規定，靜電放電方面指定試驗嚴酷程度為3級，即接觸放電6 kV，空氣放電8 kV。判據要求為在干擾和無干擾情況下，其示值之差應不大于最小分度值；或者秤能檢出干擾誤差[4]并反應顯著。

2 電子秤靜電放電案例

2.1 試驗儀器

試驗過程中使用的靜電放電發生器為特測NSG438，如圖3所示，滿足IEC61000?4?2標準，配置其他適當的放電模塊，還可以滿足其他靜電放電標準。

2.2 問題描述

某型號電子秤正常工作時，正確顯示標稱砝碼示值。當對水平耦合板進行6 kV間接放電后，顯示屏示值出現紊亂，并且伴有出錯報警音，甚至死機。

2.3 干擾分析及抑制

常用電子計價秤系統框圖如圖4所示，被秤物品重量的變化將導致傳感器形變，輸出變化的模擬信號，信號放大后經過必要的濾波傳送到模/數轉換模塊，轉換成便于處理的數字信號，微處理器對這些采集到的數字信號進行解析，最終將結果輸出到顯示屏顯示。

對水平耦合板施加的干擾主要是通過空間耦合到電子計價秤內部。試驗過程中顯示屏示值出現紊亂，初步鎖定易受電磁波干擾的元器件。檢查線路板發現CPU微處理器的工作晶振外殼沒有接地，對晶振實施有效的接地后發現前期施加干擾時秤示值一直跳動，干擾停止后即可恢復正常，隨著干擾施加次數的增多，又重新出現紊亂現象，即使干擾停止也不能自行恢復正常。晶振接地可以起到一定的抗干擾作用，但還不足以從根本上解決示值偏移及工作穩定性問題。

進一步分析原理圖發現系統中還有一個很重要的模塊——模/數轉換芯片，該部分電路中應注意地線的正確連接及地平面的完整性。地線的電平變化將對模擬電路部分的工作產生很強的干擾，數字噪聲容易重疊在模擬量輸入電壓中，使A/D轉換器工作不正常。針對這個切入點，分析了試品的PCB走線，發現線路板中模擬地和數字地分開，沒有進行有效的共地處理。從整個板子的角度分析，模/數轉換芯片內部兩個地其實早已連接在一起，這個時候如果把模擬地和數字地分開，整個板子就會出現一個大的回路，引起回路噪聲。將模擬地和數字地進行共地連接后重新進行試驗發現試品在整個試驗過程中工作穩定，有效地抑制了靜電放電干擾。整改后PCB板如圖5所示。

3 結 語

系統的晶振接地對抑制干擾有一定的作用，布板時可以在封裝外圍做一個接地的焊盤，需要注意的是批量生產中回流波峰焊后需要手工補焊該點。靜電放電對環境濕度依賴性較大，操作者使用電子秤前應事先采取措施除去靜電[5?6]。同時適當添加壓敏電阻、電容或者TVS管等補救措施都能在一定程度上抑制靜電放電。為了少走彎路和節省時間，在電子系統設計前期就應充分考慮并滿足產品抗干擾性的要求，合理擺放敏感元器件，對PCB板做好必要的防靜電措施[7?10]，如加大復位線、時鐘線與其他布線間的距離，鋪地時盡量避免尖角，并合理布局好過孔，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施，導致批量生產成本的提高。

參考文獻

[1] 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護[M].北京：北京郵電大學出版社，2004.

[2] 中國石油化工集團公司安全環保局.靜電安全教育讀本[M].北京：中國石化出版社，2007.

[3] 國家標準化管理委員會.GB/T17626.2?2006電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗[S].北京：中國標準出版社，2007.

[4] 國家技術監督局.JJG555?1996非自動秤通用檢定規程[S].北京：中國計量出版社，1997.

[5] 郎永強.靜電安全防護要訣[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6] 高攸綱.屏蔽與接地[M].北京：北京郵電大學出版社，2004.

[7] 顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[8] 黃智偉.印制電路板（PCB）設計技術與實踐[M].北京：電子工業出版社，2009.

[9] 田廣錕.高速電路PCB設計與EMC技術分析[M].北京：電子工業出版社，2011.

[10] 姜付鵬.電磁兼容的電路板設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[11] 劉仰會.靜電防護措施在電視機生產中的應用[J].電子設計工程，2012，20（3）：113?115.