涵道式無人飛行器靜電防護技術研究

哈爾濱市高新技術檢測服務中心 肖 猛 劉金鳳 劉修寬 秦 萌

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涵道式無人飛行器靜電防護技術研究

哈爾濱市高新技術檢測服務中心 肖 猛 劉金鳳 劉修寬 秦 萌

【摘要】涵道式無人飛行器在飛行過程中產生的靜電放電，可能會干擾飛行器通訊和導航系統使其飛行受到影響，嚴重的情況可能會導致油箱起火甚至爆炸。本文針對涵道式無人飛行器的靜電放電現象展開研究，就靜電放電對飛行器的危害及飛行器的靜電防護要點進行了闡述。

【關鍵詞】涵道式無人飛行器；靜電放電；防護

1　引言

涵道式無人飛行器是一種特種無人飛行器，它的動力來源于風扇置于環形涵道內所構成的推力或者升力裝置。與普通固定翼及旋翼式無人飛行器相比，它具有更緊湊的結構，更低的氣動噪聲和更好的使用安全性。涵道無人飛行器具有垂直起降和懸停的飛行特性，在體積、隱蔽性和飛行性能上都具有鮮明的特點，已成為當今微小型無人機研究開發領域的研究熱點，并開始從軍用逐漸普及到警用和民用，具有廣泛的應用前景。涵道式無人飛行器工作環境特殊，其所處的電磁環境也相當復雜。

靜電放電是涵道式無人飛行器所處的電磁環境中重要的一個因素,它是日常生活中常見的一種現象，靜電的許多功能已經廣泛地應用到產品中，如靜電噴涂、靜電復印和靜電分離等。然而，靜電放電也會導致一些危害，可能導致設備的功能紊亂甚至元器件損壞。靜電放電對于電路引起的干擾、對元器件及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。尤其是針對無人飛行器來說，如果其電路受到干擾或破壞，極有可能導致飛行器不能完成預定工作，嚴重時可能會發生墜落甚至引起油箱起火爆炸，是涵道式無人飛行器無法回避的安全問題。

2　靜電放電形成的機理及其危害

涵道式無人飛行器在設計時，由于其自身的工作特點，對重量和體積的限制非常嚴格，傳統的元器件重量和體積均較大，不適用在涵道式無人飛行器上使用。因此，半導體器件和集成電路被廣泛的應用在無人飛行器的控制和導航系統上，多數半導體器件都容易受靜電放電而損壞，大規模集成電路器件尤為如此，因此涵道式無人飛行器非常容易受到靜電放電的影響而導致一系列安全問題。

半導體器件中管腳與絕緣層被靜電放電擊穿的靜電電壓值稱為半導體器件的易損性。常見的半導體器件對靜電放電的易損值為100V～3000V，器件在承受幾百到幾千伏的靜電電壓時，就會被靜電放電擊穿。涵道式無人飛行器在地面調試過程中，經常會承受人體上所帶的靜電，而人體所帶的靜電的電壓值可輕易的達到幾千伏；涵道式無人飛行器在高空飛行的過程中，與大氣之間的摩擦同樣可能產生幅度較高的靜電。在這兩種典型的工作狀態下，涵道式無人飛行器均容易遭到靜電放電對電路的損害。

除了容易造成電路的損害以外，靜電放電也極易對飛行器中的電子電路造成干擾。靜電放電對電子電路的干擾有傳導和輻射兩種方式：

傳導方式：如果電路中的某個部分構成了放電路徑，則靜電放電電流直接侵入設備內的電路，流過集成芯片的輸入端，造成對電路的干擾。

輻射方式：靜電放電時往往會伴隨火花并產生尖峰電流，該尖峰電流中包含有豐富的高頻成分，感應出的磁場和電場能夠在靜電放電產生點附近的信號環路中感應出干擾電動勢。產生的干擾電動勢很可能超過邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發。

3　靜電放電防護要點

減小靜電放電對涵道式無人飛行器的影響的方法可歸結為三種：（1）阻止靜電放電的產生，也即控制騷擾源；（2）靜電放電發生后，阻止其產生的電場和磁場耦合到飛行器的電路，即切斷耦合途徑；（3）通過產品電磁兼容設計和對策來增強飛行器對靜電放電的抵抗能力，即提高抗擾度。前兩種方法在技術上是可以實現的，但單純從涵道式無人飛行器本身的角度來看，通過一系列措施增強其對靜電放電的抵抗能力是才最可靠且最經濟的做法。

涵道式無人飛行器應在電路設計的最初階段就考慮靜電放電的防護要求，在達到同樣的防護效果的前提下，考慮的越早，其成本就越低。一個產品如果在成型以后才考慮靜電防護，所花費的成本是在設計最初就考慮靜電防護所花費的成本的100倍以上。本文主要從外殼結構設計、電路設計和印制電路板設計三個方面來討論靜電放電的防護。

3.1外殼和結構設計

從外殼和結構設計的角度來講，涵道式無人飛行器靜電放電的防護可采用“堵”和“疏”兩種方法。如果殼體密不透風沒有任何縫隙，靜電就無從而入，自然就能解決靜電放電防護的問題。但對于涵道式無人飛行器來說，這一點是非常難于做到的，通常都會有散熱用的孔和縫隙。因為靜電會穿過孔洞、縫隙放電，所以絕緣外殼的孔洞、縫隙與內部電路間應留有足夠的空間。對外殼上的孔、洞、排氣口等，用幾個小孔代替一個大孔，既可以保留散熱的功能，又能很好的對靜電進行防護。

所謂“堵”，是增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，靜電產生的影響會隨著距離的增加而大幅度衰減，達到了靜電防護的目的。

所謂“疏”，是將EMI油漆噴涂在殼體的內側。由于EMI油漆是導電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，再將殼體與設備的地連接，將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬屏蔽罩將其中的電路保護起來，金屬屏蔽罩再連接設備地。

在外殼設計時，應結合涵道式無人飛行器允許的最大重量和靜電防護等級要求并結合成本控制，綜合考慮確定外殼和結構的設計方案。

3.2電路設計

一般來說，與外部設備連接的接口電路都需要加保護電路，其中也包括電源線，這一點往往被硬件設計所忽視。常用的瞬態抑制保護電路有以下幾種：

（1）箝位二極管保護電路：

箝位二極管保護工作原理如圖1所示。

圖1　箝位二極管保護電路

本電路具有很好的保護效果，同時其代價低廉，適合成本控制比較嚴、靜電放電強度和頻率不嚴重的場合。

（2）壓敏電阻保護電路。

使用壓敏電阻保護電路的特點是簡單、經濟、瞬態抑制效果好、對電路帶來的負面影響較小，且可以獲得較大的保護功率。

（3）瞬態電壓抑制器（TVS管）。

TVS管是最近發展起來的一種固態二極管，適用于靜電防護。改進后的TVS管更適用于低壓電路，且封裝集成度高，占用空間小，適用于電路板空間緊張的情況下使用，其適用范圍比較廣泛。

3.3印制電路板（PCB）設計

PCB設計對提高系統的靜電放電防護能力有著重要作用，PCB上的走線是靜電產生電磁干擾的發射天線。為了把這些天線的耦合降低，要求線盡可能短，環路面積盡可能小。

電流通過感應進入到電路環路，電流的幅度與環路的面積成正比。環路越大，包含的磁通量就越多，會導致在電路中感應出較強的電流。因此，必須減少環路面積，如圖2所示。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB設計。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了靜電放電脈沖產生的高頻電磁場。

圖2　減小環路面積

4　結束語

靜電是造成涵道式無人飛行器飛行失常甚至起火爆炸的重要原因之一，隨著技術的發展和產品的復雜程度的提高，靜電的危害也越來越被人們重視。涵道式無人飛行器無論是在地面的調試期間或在高空飛行期間，絕大部分時間都處于一個充滿靜電的環境之中，靜電可能來自人體對飛行器的直接觸碰，可能來自人對飛行器臨近物體的觸碰，也可能來自飛行過程中與大氣的摩擦。如果不注意靜電防護問題，不僅降低了產品的可靠性，增加了維修成本，也使生產廠家的形象大打折扣。本文以涵道式無人飛行器為例進行分析，闡述了靜電放電的危害，靜電放電的測試方法并提出相應的防護設計對策，期望能對關心涵道式無人飛行器靜電防護生產廠家和設計人員有所幫助，同時引起對靜電防護不了解的生產廠家和設計人員的重視。

參考文獻

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[2]朱文立.電子產品的靜電放電測試及其對策.電子質量,2003(3).

[3]朱文立.電磁兼容設計與整改對策及案例分析.電子工業出版社,2011.

基金項目：質檢公益性行業科研專項項目——民用涵道式無人飛行器和工業機器人質量安全檢測技術研究（編號：201410126）。