力矩限制器靜電放電抗擾度分析與測試研究

張楠珂，陳鵬慧

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410200）

0 引言

力矩限制器是起重機的超載保護裝置，它通過傳感器實時獲取起重機的工作狀態(tài)。起重機的作業(yè)和存放環(huán)境不分國境，不分晝夜，往往是長期經(jīng)受酷熱或者低溫的考驗，其工作場所是充滿了各個頻段電磁干擾，工作環(huán)境惡劣。并且由于起重機的頻繁吊重，力矩限制器時常處于劇烈的振動當(dāng)中，其工作電源和數(shù)據(jù)采集都會因此而產(chǎn)生極大的波動，所以對力矩限制器在惡劣環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和可靠性提出了很高的要求。本文通過對力矩限制器整機的靜電放電抗擾度分析與測試研究，為力矩限制器設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性提供實踐基礎(chǔ)。

1 靜電放電抗擾度試驗

物理試驗表明，當(dāng)人行走在纖維毯上時人體所攜帶的靜電電荷量高達(dá)10-6C以上，而人與地毯還有大地間的電容大概在100pF左右，所以可以產(chǎn)生高達(dá)15kV的瞬時電壓。靜電可以使電子設(shè)備工作異常，如復(fù)位，使得吊重精度產(chǎn)生誤差，甚至可以擊穿半導(dǎo)體元器件造成設(shè)備故障。

靜電放電試驗方法與設(shè)備:

（1）試驗等級

由于電力系統(tǒng)中電磁環(huán)境的復(fù)雜，所以一般規(guī)定力矩限制器的靜電放電試驗（包括接觸放電和空氣放電）等級達(dá)到最高的四級，表1為國標(biāo)所規(guī)定的試驗等級。

表1 靜電放電試驗等級

（2）試驗環(huán)境與設(shè)備

實驗室的參考接地平面，如果采用的是銅板或者鋁板則厚度應(yīng)該大于0.25mm，如果采用其他金屬材料作為地平面則厚度應(yīng)該大于0.65mm。參考接地平面至少要大于1m2，并且接地面四周每邊的長度至少要超過水平耦合板0.5m以上，并且要與保護接地線連接起來。注意力矩限制器作為被測試設(shè)備應(yīng)該與實驗室周圍物體（如墻壁、各類結(jié)構(gòu)等）間距至少大于1m，并且力矩限制器只能與保護接地線相連，不能與其他接地線相連。如圖1所示，靜電放電器與力矩限制器都放在一個距接地參考面0.8m的木桌上，桌面上垂直耦合板的大小為0.5m×0.5m，水平耦合板的大小為1.6m×0.8m，并且采用一個0.5mm的絕緣板將力矩限制器與耦合板隔離開。

圖1 試驗設(shè)備布置

（3）試驗方法

靜電放電有兩種方式：接觸放電和空氣放電。接觸放電的測試方法：將力矩限制器接上電源并平放在測試臺上。連接好靜電槍，將靜電槍尖頭垂直頂在力矩限制器被測面上，放電以每秒1次的速度進(jìn)行，并隨意移動到可以用手接觸到的不同部位，每個部位放電20次左右（正極和負(fù)極各10次）同時觀察力矩限制器是否有復(fù)位、死機等現(xiàn)象從而確定產(chǎn)生問題的部位。

空氣放電的測試方法分為對水平耦合板放電和垂直耦合板放電兩種方式。水平耦合板放電：將靜電槍尖頭離鋁制或不銹鋼測試臺板約 0.5-1cm，圍著被測力矩限制器對著測試臺板進(jìn)行放電，觀察力矩限制器是否有復(fù)位等異常現(xiàn)象。垂直耦合板放電：力矩限制器距離垂直耦合板 10cm（標(biāo)準(zhǔn)），將靜電槍尖頂在板垂直邊中點不斷進(jìn)行放電，觀察力矩限制器是否有復(fù)位等異常現(xiàn)象。

2 電子產(chǎn)品ESD防護設(shè)計原則

2.1 靜電放電能量進(jìn)入電子產(chǎn)品后的耦合模式

（1）差模

考慮兩個系統(tǒng)的設(shè)備由電纜連接，如圖2所示。兩根電纜中電流流向相反。外部輻射場可以耦合進(jìn)入這樣一個系統(tǒng)，并感應(yīng)出差模干擾。同樣的，差模電流自身也能產(chǎn)生自己的輻射場。

圖2 共模與差模

（2）共模

兩根電纜中的電流以同一個方向流動即產(chǎn)生了共模電流，共模電流一般情況下都不是信號的電流。共模電流可能是外部場耦合入電流環(huán)所引起的，這些電流環(huán)可以是電纜、地平面和各種通過設(shè)備連接到地的阻抗所組成。另一種情況是共模電流由參考地平面與電纜連接處的噪聲電壓所產(chǎn)生。注意連接在導(dǎo)線上或設(shè)備結(jié)構(gòu)上的寄生電容和電感也是構(gòu)成共模耦合電路的一部分，這些寄生參數(shù)對共模電流的幅度和頻譜分布影響很大。這些參數(shù)并不出現(xiàn)在任何原理圖和PCB中，所以很難控制。

（3）共模與差模的相互轉(zhuǎn)換

盡管共模電流一般與數(shù)據(jù)信號電流無關(guān)，但是有時數(shù)據(jù)信號電流也能轉(zhuǎn)換成共模電流。當(dāng)信號電流來回傳輸所經(jīng)過的導(dǎo)體阻抗不一樣時（例如外部的地），轉(zhuǎn)換就會發(fā)生。這些阻抗在RF射頻時由寄生電容、寄生電感所決定，而這些寄生參數(shù)又由PCB設(shè)計者所設(shè)計的電路板所決定。

如圖3所示，差模電流DMI在負(fù)載電阻LR兩端產(chǎn)生所需要的有用電壓。而共模電流CMI不流過負(fù)載電阻，而流經(jīng)阻抗AZ、BZ返回到外部的地。AZ、BZ不是設(shè)備的元件，而是寄生參數(shù)如寄生電容、電感。當(dāng)ZA=ZB時，ICM不在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓。但是當(dāng)ZA≠ZB時，ICM將通過ZA、ZB在RL上產(chǎn)生一個電壓差Vload(CM)，并且正比于ZA與BZ的差值，如式1。

圖3 共模與差模轉(zhuǎn)換

正是這個原因，攜帶高頻信號并對RF干擾敏感的電路最好設(shè)計成每個導(dǎo)體的寄生阻抗越相同越好。當(dāng)然也可以加共模扼流圈來減小CMI的幅度。

2.2 有效的ESD抗擾度設(shè)計方法

（1）防止或盡量減少瞬態(tài)電流的進(jìn)入，一般從三個方面進(jìn)行考慮：有效的外殼設(shè)計、屏蔽電纜設(shè)計、為非屏蔽外部電纜鐘的所有導(dǎo)體部門提供額外的保護措施。

（2）加強敏感電路的防護，例如復(fù)位電路、中斷電路、時鐘電路、重要的輸入輸出電路。

（3）軟件層面的防護措施，編寫能夠檢測并在盡可能糾正以下錯誤的軟件：程序的流程、輸入輸出的數(shù)據(jù)、存儲器數(shù)據(jù)。

3 硬件平臺設(shè)計

為了使開發(fā)出來的產(chǎn)品盡可能的具有通用性，降低產(chǎn)品開發(fā)以及生產(chǎn)的成本，整個硬件采用模塊化的設(shè)計，模塊框圖如圖4所示。

圖4 硬件模塊框圖

ADC信號采集部分：主要由油壓傳感器、角度傳感器組成，采集到的為模擬電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理部分：其核心LPC2478微處理器，根據(jù)起重機的工作狀況和結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算并顯示出起重機的力矩、仰角及一變和二變油缸壓力等參數(shù)，判斷是否有報警及制動保護信號，并做出相應(yīng)處理。KEYPAD參數(shù)輸入及LCD顯示部分：由鍵盤及液晶顯示器組成，通過鍵盤可以方便地對起重機的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)、報警參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。報警制動部分：當(dāng)起重機處于危險操作狀況時，報警制動保護部分會為操作員提供聲光預(yù)警。當(dāng)情況緊急時，制動保護部分會強制停止危險操作，以保證起重機的安全。

力矩限制器通過CAN接口實現(xiàn)與車載控制器的數(shù)據(jù)通訊。本力矩限制器接口采用CanOpen協(xié)議，圍繞CanOpen歐洲推出了相關(guān)的工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN-50325-4。本力矩限制器配套的汽車起重機所使用的EPEC、力士樂、TTCONTROL、intercontrol等公司的控制器都帶CanOpen接口，因此力矩限制器和具有CanOpen協(xié)議的控制器互連，系統(tǒng)接口設(shè)計只需遵照CanOpen協(xié)議讀取對應(yīng)地址的數(shù)值就能取得控制器的控制信息，無需改動控制器程序。

4 力矩限制器靜電放電測試報告與分析

根據(jù)表2靜電放電試驗報告可以發(fā)現(xiàn)兩個問題，即對LCD放電出現(xiàn)復(fù)位現(xiàn)象、對CAN總線接口端子放電出現(xiàn)顯示吊重紊亂現(xiàn)象。

表2 靜電放電測試報告

（1）對LCD放電出現(xiàn)復(fù)位

現(xiàn)象：本款力矩限制器上外殼單元的LCD顯示部分采用排線與PCB相連，當(dāng)對LCD進(jìn)行15KV空氣放電時，有時會導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，實驗過程中嘗試將LCD與PCB之間的距離加大依然沒有作用。圖5中右邊標(biāo)記處是PCB上的LCD排線接口。

原因分析：打開力矩限制器上盒發(fā)現(xiàn)由于排線太長，且主芯片和LCD接口距離較近，所以排線直接搭在了圖5中所示的PCB板主芯片上。所以很明顯的可以看出，當(dāng)靜電放電時，由于主要諧波分量達(dá)到了500MHz，電磁場通過排線耦合進(jìn)入主芯片中，即在排線和主芯片之間產(chǎn)生一個寄生電容C。靜電電流由排線進(jìn)入經(jīng)過寄生電容C從主芯片接地平面流出，由于接地平面由一定的阻抗，所以靜電電流在接地平面上產(chǎn)生一個電壓降，這個電壓波動將導(dǎo)致主芯片復(fù)位重啟。

圖5 PCB主芯片和LCD連接

解決方法：通過在PCB板上增加一個EVA絕緣墊片，將排線與PCB板的距離拉大，從而使寄生電容C減小，修改后靜電放電試驗通過。

（2）對CAN總線接口端子放電出現(xiàn)走脈沖

現(xiàn)象：力矩限制器的CAN總線接口位于PCB端子板邊緣部分，采用航空插頭與外部通信。進(jìn)行8KV接觸放電時，發(fā)現(xiàn)力矩限制器與終端設(shè)備的通信數(shù)據(jù)發(fā)生混亂。

原因分析：如圖6所示（左圖為航空插頭端子PCB板，右圖為主板PCB板），力矩限制器內(nèi)部通過主板經(jīng)排線連接到端子板中的航空插頭。由于排線的存在，導(dǎo)致CANH和CANL數(shù)據(jù)線會很長，當(dāng)靜電電弧產(chǎn)生一個500MHz的強磁場時，這些長導(dǎo)線就相當(dāng)于一個電偶極子天線接收這個強磁場的輻射，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)的混亂。

解決方法：在長信號導(dǎo)線上并聯(lián)旁路電容就能很好濾除高頻能量的影響。注意要將旁路電容盡可能的靠近航空插頭處、排線接口處，旁路電容將高頻能量導(dǎo)入PCB板的地中，PCB板地與金屬外殼地相接，從而防止干擾串入主板影響系統(tǒng)的工作。

5 結(jié)論

本文通過對力矩限制器實際產(chǎn)品進(jìn)行靜電放電測試，找出容易出問題的電路部分。結(jié)合電磁兼容理論知識，從實際電路和結(jié)構(gòu)的布局、布線出發(fā)進(jìn)行分析，使得產(chǎn)品經(jīng)過改進(jìn)符合靜電放電測試要求。