靜電放電的硬件防護設計及其在消防車控制系統回路中的應用

李德亮　沈堅敏

摘 要：文章根據作者多年工作經驗，闡述了靜電放電的危害，在此基礎上系統分析靜電放電的防護、硬件解決方法，最后以消防車控制系統回路為例介紹了其靜電放電防護設計方法。

關鍵詞：靜電放電；防護設計；硬件解決方法；消防車

中圖分類號：X913 文獻標志碼：A 文章編號：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

在人們的正常社會活動中，大多數情況下，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千伏的靜電，如果電子產品或系統的抗靜電能力不夠強，就容易受到靜電的干擾，嚴重的可能會被損壞。因此，電磁兼容的設計人員在設計產品時，會用各種方法，來解決靜電放電的問題，并通過進行靜電放電抗擾度試驗來驗證產品的抗靜電能力。本文就靜電放電的防護及設計問題進行探討。

消防車作為最重要的搶險救援裝備，其靜電放電防護性能設計顯得尤為重要，直接關系到搶險救援的效率、關系到人員生命安全。

2 靜電和靜電放電的危害

靜電（Static electricity）即靜止電荷產生的電，如在開路電池的端子上的電或同毛皮摩擦后的硬橡膠上的電，或在不涉及運動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象。放電時產生的放電電流及其電磁場經電路耦合可能引起電氣設備的故障或損壞，尤其是計算機芯片、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。

靜電放電產生的是一種高頻電磁場。靜電放電對電路造成的影響有兩個機理，一個是靜電放電電流直接流進電路，影響電路的工作，乃至損壞電路硬件；另一個是靜電放電路徑附近產生很強的電磁場，對電路造成影響。

3 靜電場和靜電放電的防護

3.1 靜電放電的防護

對靜電放電的防護通常采用二種方法：一是堵，即堵滲式防護，加強介質絕緣不讓靜電放出。二是疏，即導流式防護，用外殼良好接地，讓靜電在建立起足以能達到危害程度的電磁場前，直接導入大地。

3.2 靜電場的防護

上述無論使用哪種屏障，靜電場的問題都不能解決。使用金屬擋板時的不同點是，當放電發生后，電場是在擋板和器件之間，而不是在人體和器件之間。

要徹底解決靜電場的問題和電荷注入問題，必須將系統（包括電纜）完全包圍起來，或者將金屬擋板接地。

4 靜電放電的硬件解決方法

靜電放電效應可劃分成以下三個部分：靜電放電之前靜電場的效應；放電產生的電荷注入效應；靜電放電電流產生的場效應。實踐表明：對靜電場的防護主要由屏蔽效果來決定；如果有良好的接地系統可有效地減小靜電放電所產生的電荷注入效應；對PCB產生影響最大的主要是第三種效應。

4.1 結構的ESD防護設計

為避免由于殼體搭接接觸阻抗引起的電壓降Vab（見圖1），或當ab的距離較遠時，建議電路的零位參考點單點接地Vb。將殼體內電路單點接地是一個實用有效的方法。

為防止靜電經殼體縫隙對電路板的放電，建議在殼體縫隙內部設置導電內襯并就近接地（見圖2）。導電內襯材料的導電率應與殼體材料的導電率相仿。

在被保護的導線上串接鐵氧體磁珠能有效地抵抗靜電放電電流的侵入（見圖3）。當然，鐵氧體磁珠的材料是與欲抑制的放電電流頻率有關。

當殼體內電路與殼體有較大的電位差時，可能出現殼體內的二次放電（見圖4）。要避免這類情況的出現，可采取以下四個方法：一是使用非金屬殼體；二是將電路的地與殼體聯接；三是進一步減小殼體的接地阻抗（如增加搭接面積、環型接地、就近接地等）；四是采用雙重屏蔽結構設計等等。

就近防護或接地可提高顯著提高防護效果。其原理見圖5，過長的接地距離，一是增加了接地阻抗；二是將放電的影響范圍擴大了。

鍵盤與控制面板的防護設計實例在絕緣面板與電路板之間增加一層導電的隔離板，將可能產生的靜電放電能量直接引入大地。

液晶顯示屏的ESD防護，要求液晶顯示屏四周用金屬框保護，并用環型接地線來加強金屬框的靜電保護作用。環型接地線要就近接地。

4.2 系統間的ESD防護設計

系統間ESD防護接地系統的設計特例：電纜的靜電放電防護，通常，對屏蔽線的靜電防護采用屏蔽層與機箱進行良好的搭接后并接地；對無屏蔽的對稱線的靜電防護采用串接磁珠、端接TVS二極管、在系統的接線端口設置鐵氧體磁珠與高頻電容組合的去耦電路等。

4.3 PCB的ESD防護設計

通常，騷擾源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減小。（1）在源端使用濾波器以衰減信號；（2）在接收端使用濾波器以衰減信號；（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，使它們保持共模方式等。PCB的ESD防護設計通常可以通過下述方式進行。

（1）保持環路面積最小；（2）使導線長度盡可能的短；（3）盡可能在PCB上使用完整的地線面；（4）加強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上的機殼地線的阻抗要低、隔離要好。

5 靜電放電設計實例

通過長期對在消防車控制系統回路靜電放電的測試結果表明：消防車控制系統回路對穩定強電場的敏感度要遠小于突變電場。因此，對消防車控制系統電路的防突變脈沖設計顯得尤為重要。而對消防車控制系統電路的防重點又在于傳感器輸出電路。鑒于靜電放電抗擾度試驗時對放電部位的選擇和放電電壓等級，為防止放電火花落在消防車控制系統回路內部，建議采取下列對應措施和設計原則：（1）在消防車控制系統回路應具備良好的接地條件，接地線截面大于等于電源線截面。機內各接地點采用單點接地。接地線不與控制線、信號線平行敷設。（2）對主控面板（或顯示面板）外殼四周縫隙，應進行延長爬電距離設計或進行電密封設計。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殼的接地端聯接。（3）在電路中加強對傳感器輸出電路和CPU周圍的去耦設計等。不讓外界產生的放電脈沖經耦合導入，使傳感器輸出端的放大電路誤動作或出現CPU復位或死機的狀況。通常要求對傳感器輸出端的放大電路和CPU周圍的控制電路進行電磁防護，實踐表明：加金屬板外殼防護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度應大于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）對與電源線、接地線平行敷設的控制線、信號線（如傳感器輸出線）等應進行屏蔽處理。（6）各接地部位（點）應考慮防震設計，保證接地線、點的金屬接觸面積，金屬接觸面積的大小應滿足第a條中的有關描述。（7）對進、出主板的所有線纜（12VAC進線、6VDC進線、傳感器輸出線、顯示板數據線等）進行去耦處理，如串接磁環、磁套和設置去耦電容等。（8）設計時應將在消防車控制系統回路體內主板的安放位置遠離縫隙周邊和不騎于金屬盤的投影邊界。

6 結束語

消防車控制系統回路的靜電防護或靜電放電控制，首先要從靜電放電的防護及設計著手，通過EMC測試不斷優化元器件在產品內部的工作條件。然后根據測試結果按電磁騷擾的分布情況，采用相適應的控制措施，以取得最佳的工作效能。就產品的制造商來說，在電子產品的設計階段就應充分考慮產品設計對EMC影響，這樣從經濟、技術意義上來講，這是最佳的電子產品EMC控制方法。

參考文獻：

[1]GB/T17626.2.（idt.IEC61000-4-2）電磁兼容 試驗和測量技術

第2部分：靜電放電抗擾度試驗[S].

[2]徐強華.熒光燈電子鎮流器的電磁兼容性設計、測試與整改[A].中國杭州：全國首屆照明電器EMC技術研討會論文集[C].2003：56-66.

[3]魏明，劉尚合，朱長青.IEC61000-4-2存在問題分析[J].安全與電磁兼容，2005（6）：9-11.

[4]董梁，金善益，任 .電磁兼容檢測與優化的研究[J].通訊世界，2017（12）：205-206.

[5]譚建蓉.汽車儀表電磁兼容測試與研究[J].自動化與儀器儀表，2012（4）：99-100.

[6]區健，林守霖，呂英華.電子設備的電磁兼容性設計理論發與實踐[M].電子工業出版社，2010.

[7]馬敏.電磁兼容中輻射發射測試技術的研究[J].電子設計工程，2017（10）：125-127+131.