静电放电的硬件防护设计及其在消防车控制系统回路中的应用

李德亮　沈坚敏

摘 要：文章根据作者多年工作经验，阐述了静电放电的危害，在此基础上系统分析静电放电的防护、硬件解决方法，最后以消防车控制系统回路为例介绍了其静电放电防护设计方法。

关键词：静电放电；防护设计；硬件解决方法；消防车

中图分类号：X913 文献标志码：A 文章编号：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

在人們的正常社会活动中，大多数情况下，人体都带有静电。尤其是在冬季，空气干燥，几乎人人身上都携带着几百甚至数千伏的静电，如果电子产品或系统的抗静电能力不够强，就容易受到静电的干扰，严重的可能会被损坏。因此，电磁兼容的设计人员在设计产品时，会用各种方法，来解决静电放电的问题，并通过进行静电放电抗扰度试验来验证产品的抗静电能力。本文就静电放电的防护及设计问题进行探讨。

消防车作为最重要的抢险救援装备，其静电放电防护性能设计显得尤为重要，直接关系到抢险救援的效率、关系到人员生命安全。

2 静电和静电放电的危害

静电（Static electricity）即静止电荷产生的电，如在开路电池的端子上的电或同毛皮摩擦后的硬橡胶上的电，或在不涉及运动的情形下所考虑的电。放电（Discharge）是带电体的电荷消失而趋于中性的现象。放电时产生的放电电流及其电磁场经电路耦合可能引起电气设备的故障或损坏，尤其是计算机芯片、集成电路等等。雷击损害是静电放电的极端，它的危害范围更大。

静电放电产生的是一种高频电磁场。静电放电对电路造成的影响有两个机理，一个是静电放电电流直接流进电路，影响电路的工作，乃至损坏电路硬件；另一个是静电放电路径附近产生很强的电磁场，对电路造成影响。

3 静电场和静电放电的防护

3.1 静电放电的防护

对静电放电的防护通常采用二种方法：一是堵，即堵渗式防护，加强介质绝缘不让静电放出。二是疏，即导流式防护，用外壳良好接地，让静电在建立起足以能达到危害程度的电磁场前，直接导入大地。

3.2 静电场的防护

上述无论使用哪种屏障，静电场的问题都不能解决。使用金属挡板时的不同点是，当放电发生后，电场是在挡板和器件之间，而不是在人体和器件之间。

要彻底解决静电场的问题和电荷注入问题，必须将系统（包括电缆）完全包围起来，或者将金属挡板接地。

4 静电放电的硬件解决方法

静电放电效应可划分成以下三个部分：静电放电之前静电场的效应；放电产生的电荷注入效应；静电放电电流产生的场效应。实践表明：对静电场的防护主要由屏蔽效果来决定；如果有良好的接地系统可有效地减小静电放电所产生的电荷注入效应；对PCB产生影响最大的主要是第三种效应。

4.1 结构的ESD防护设计

为避免由于壳体搭接接触阻抗引起的电压降Vab（见图1），或当ab的距离较远时，建议电路的零位参考点单点接地Vb。将壳体内电路单点接地是一个实用有效的方法。

为防止静电经壳体缝隙对电路板的放电，建议在壳体缝隙内部设置导电内衬并就近接地（见图2）。导电内衬材料的导电率应与壳体材料的导电率相仿。

在被保护的导线上串接铁氧体磁珠能有效地抵抗静电放电电流的侵入（见图3）。当然，铁氧体磁珠的材料是与欲抑制的放电电流频率有关。

当壳体内电路与壳体有较大的电位差时，可能出现壳体内的二次放电（见图4）。要避免这类情况的出现，可采取以下四个方法：一是使用非金属壳体；二是将电路的地与壳体联接；三是进一步减小壳体的接地阻抗（如增加搭接面积、环型接地、就近接地等）；四是采用双重屏蔽结构设计等等。

就近防护或接地可提高显著提高防护效果。其原理见图5，过长的接地距离，一是增加了接地阻抗；二是将放电的影响范围扩大了。

键盘与控制面板的防护设计实例在绝缘面板与电路板之间增加一层导电的隔离板，将可能产生的静电放电能量直接引入大地。

液晶显示屏的ESD防护，要求液晶显示屏四周用金属框保护，并用环型接地线来加强金属框的静电保护作用。环型接地线要就近接地。

4.2 系统间的ESD防护设计

系统间ESD防护接地系统的设计特例：电缆的静电放电防护，通常，对屏蔽线的静电防护采用屏蔽层与机箱进行良好的搭接后并接地；对无屏蔽的对称线的静电防护采用串接磁珠、端接TVS二极管、在系统的接线端口设置铁氧体磁珠与高频电容组合的去耦电路等。

4.3 PCB的ESD防护设计

通常，骚扰源与接收电路之间的场耦合可以通过下列方式之一减小。（1）在源端使用滤波器以衰减信号；（2）在接收端使用滤波器以衰减信号；（3）增加距离以减小耦合；（4）降低源和/或接收电路的天线效果以减小耦合；（5）采用一致的、低阻抗参考平面（如同多层PCB板所提供的）耦合信号，使它们保持共模方式等。PCB的ESD防护设计通常可以通过下述方式进行。

（1）保持环路面积最小；（2）使导线长度尽可能的短；（3）尽可能在PCB上使用完整的地线面；（4）加强电源线和地线之间的电容耦合；（5）隔离电子元件与静电放电电荷源；（6）PCB上的機壳地线的阻抗要低、隔离要好。

5 静电放电设计实例

通过长期对在消防车控制系统回路静电放电的测试结果表明：消防车控制系统回路对稳定强电场的敏感度要远小于突变电场。因此，对消防车控制系统电路的防突变脉冲设计显得尤为重要。而对消防车控制系统电路的防重点又在于传感器输出电路。鉴于静电放电抗扰度试验时对放电部位的选择和放电电压等级，为防止放电火花落在消防车控制系统回路内部，建议采取下列对应措施和设计原则：（1）在消防车控制系统回路应具备良好的接地条件，接地线截面大于等于电源线截面。机内各接地点采用单点接地。接地线不与控制线、信号线平行敷设。（2）对主控面板（或显示面板）外壳四周缝隙，应进行延长爬电距离设计或进行电密封设计。若主控面板（或显示面板）外壳是由金属制成的，则一定要求有专用的接地屏蔽线与机壳的接地端联接。（3）在电路中加强对传感器输出电路和CPU周围的去耦设计等。不让外界产生的放电脉冲经耦合导入，使传感器输出端的放大电路误动作或出现CPU复位或死机的状况。通常要求对传感器输出端的放大电路和CPU周围的控制电路进行电磁防护，实践表明：加金属板外壳防护是一种比较有效的方法。（4）软键盘及塑贴控制面板的介电强度应大于15kV。软键盘及塑贴控制面板与控制线路板之间，必须要有良好的绝缘层。（5）对与电源线、接地线平行敷设的控制线、信号线（如传感器输出线）等应进行屏蔽处理。（6）各接地部位（点）应考虑防震设计，保证接地线、点的金属接触面积，金属接触面积的大小应满足第a条中的有关描述。（7）对进、出主板的所有线缆（12VAC进线、6VDC进线、传感器输出线、显示板数据线等）进行去耦处理，如串接磁环、磁套和设置去耦电容等。（8）设计时应将在消防车控制系统回路体内主板的安放位置远离缝隙周边和不骑于金属盘的投影边界。

6 结束语

消防车控制系统回路的静电防护或静电放电控制，首先要从静电放电的防护及设计着手，通过EMC测试不断优化元器件在产品内部的工作条件。然后根据测试结果按电磁骚扰的分布情况，采用相适应的控制措施，以取得最佳的工作效能。就产品的制造商来说，在电子产品的设计阶段就应充分考虑产品设计对EMC影响，这样从经济、技术意义上来讲，这是最佳的电子产品EMC控制方法。

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