力矩限制器静电放电抗扰度分析与测试研究

2022-08-02张楠珂陈鹏慧

电子制作 2022年13期

张楠珂，陈鹏慧

（湖南信息职业技术学院，湖南长沙，410200）

0 引言

力矩限制器是起重机的超载保护装置，它通过传感器实时获取起重机的工作状态。起重机的作业和存放环境不分国境，不分昼夜，往往是长期经受酷热或者低温的考验，其工作场所是充满了各个频段电磁干扰，工作环境恶劣。并且由于起重机的频繁吊重，力矩限制器时常处于剧烈的振动当中，其工作电源和数据采集都会因此而产生极大的波动，所以对力矩限制器在恶劣环境下工作的稳定性和可靠性提出了很高的要求。本文通过对力矩限制器整机的静电放电抗扰度分析与测试研究，为力矩限制器设计的稳定性和可靠性提供实践基础。

1 静电放电抗扰度试验

物理试验表明，当人行走在纤维毯上时人体所携带的静电电荷量高达10-6C以上，而人与地毯还有大地间的电容大概在100pF左右，所以可以产生高达15kV的瞬时电压。静电可以使电子设备工作异常，如复位，使得吊重精度产生误差，甚至可以击穿半导体元器件造成设备故障。

静电放电试验方法与设备:

（1）试验等级

由于电力系统中电磁环境的复杂，所以一般规定力矩限制器的静电放电试验（包括接触放电和空气放电）等级达到最高的四级，表1为国标所规定的试验等级。

表1 静电放电试验等级

（2）试验环境与设备

实验室的参考接地平面，如果采用的是铜板或者铝板则厚度应该大于0.25mm，如果采用其他金属材料作为地平面则厚度应该大于0.65mm。参考接地平面至少要大于1m2，并且接地面四周每边的长度至少要超过水平耦合板0.5m以上，并且要与保护接地线连接起来。注意力矩限制器作为被测试设备应该与实验室周围物体（如墙壁、各类结构等）间距至少大于1m，并且力矩限制器只能与保护接地线相连，不能与其他接地线相连。如图1所示，静电放电器与力矩限制器都放在一个距接地参考面0.8m的木桌上，桌面上垂直耦合板的大小为0.5m×0.5m，水平耦合板的大小为1.6m×0.8m，并且采用一个0.5mm的绝缘板将力矩限制器与耦合板隔离开。

图1 试验设备布置

（3）试验方法

静电放电有两种方式：接触放电和空气放电。接触放电的测试方法：将力矩限制器接上电源并平放在测试台上。连接好静电枪，将静电枪尖头垂直顶在力矩限制器被测面上，放电以每秒1次的速度进行，并随意移动到可以用手接触到的不同部位，每个部位放电20次左右（正极和负极各10次）同时观察力矩限制器是否有复位、死机等现象从而确定产生问题的部位。

空气放电的测试方法分为对水平耦合板放电和垂直耦合板放电两种方式。水平耦合板放电：将静电枪尖头离铝制或不锈钢测试台板约 0.5-1cm，围着被测力矩限制器对着测试台板进行放电，观察力矩限制器是否有复位等异常现象。垂直耦合板放电：力矩限制器距离垂直耦合板 10cm（标准），将静电枪尖顶在板垂直边中点不断进行放电，观察力矩限制器是否有复位等异常现象。

2 电子产品ESD防护设计原则

2.1 静电放电能量进入电子产品后的耦合模式

（1）差模

考虑两个系统的设备由电缆连接，如图2所示。两根电缆中电流流向相反。外部辐射场可以耦合进入这样一个系统，并感应出差模干扰。同样的，差模电流自身也能产生自己的辐射场。

图2 共模与差模

（2）共模

两根电缆中的电流以同一个方向流动即产生了共模电流，共模电流一般情况下都不是信号的电流。共模电流可能是外部场耦合入电流环所引起的，这些电流环可以是电缆、地平面和各种通过设备连接到地的阻抗所组成。另一种情况是共模电流由参考地平面与电缆连接处的噪声电压所产生。注意连接在导线上或设备结构上的寄生电容和电感也是构成共模耦合电路的一部分，这些寄生参数对共模电流的幅度和频谱分布影响很大。这些参数并不出现在任何原理图和PCB中，所以很难控制。

（3）共模与差模的相互转换

尽管共模电流一般与数据信号电流无关，但是有时数据信号电流也能转换成共模电流。当信号电流来回传输所经过的导体阻抗不一样时（例如外部的地），转换就会发生。这些阻抗在RF射频时由寄生电容、寄生电感所决定，而这些寄生参数又由PCB设计者所设计的电路板所决定。

如图3所示，差模电流DMI在负载电阻LR两端产生所需要的有用电压。而共模电流CMI不流过负载电阻，而流经阻抗AZ、BZ返回到外部的地。AZ、BZ不是设备的元件，而是寄生参数如寄生电容、电感。当ZA=ZB时，ICM不在负载电阻RL上产生电压。但是当ZA≠ZB时，ICM将通过ZA、ZB在RL上产生一个电压差Vload(CM)，并且正比于ZA与BZ的差值，如式1。

图3 共模与差模转换

正是这个原因，携带高频信号并对RF干扰敏感的电路最好设计成每个导体的寄生阻抗越相同越好。当然也可以加共模扼流圈来减小CMI的幅度。

2.2 有效的ESD抗扰度设计方法

（1）防止或尽量减少瞬态电流的进入，一般从三个方面进行考虑：有效的外壳设计、屏蔽电缆设计、为非屏蔽外部电缆钟的所有导体部门提供额外的保护措施。

（2）加强敏感电路的防护，例如复位电路、中断电路、时钟电路、重要的输入输出电路。

（3）软件层面的防护措施，编写能够检测并在尽可能纠正以下错误的软件：程序的流程、输入输出的数据、存储器数据。

3 硬件平台设计

为了使开发出来的产品尽可能的具有通用性，降低产品开发以及生产的成本，整个硬件采用模块化的设计，模块框图如图4所示。

图4 硬件模块框图

ADC信号采集部分：主要由油压传感器、角度传感器组成，采集到的为模拟电信号，经过A/D转换为数字信号。数据处理部分：其核心LPC2478微处理器，根据起重机的工作状况和结构参数，计算并显示出起重机的力矩、仰角及一变和二变油缸压力等参数，判断是否有报警及制动保护信号，并做出相应处理。KEYPAD参数输入及LCD显示部分：由键盘及液晶显示器组成，通过键盘可以方便地对起重机的各项结构参数、报警参数等进行设置。报警制动部分：当起重机处于危险操作状况时，报警制动保护部分会为操作员提供声光预警。当情况紧急时，制动保护部分会强制停止危险操作，以保证起重机的安全。

力矩限制器通过CAN接口实现与车载控制器的数据通讯。本力矩限制器接口采用CanOpen协议，围绕CanOpen欧洲推出了相关的工业现场总线标准EN-50325-4。本力矩限制器配套的汽车起重机所使用的EPEC、力士乐、TTCONTROL、intercontrol等公司的控制器都带CanOpen接口，因此力矩限制器和具有CanOpen协议的控制器互连，系统接口设计只需遵照CanOpen协议读取对应地址的数值就能取得控制器的控制信息，无需改动控制器程序。

4 力矩限制器静电放电测试报告与分析

根据表2静电放电试验报告可以发现两个问题，即对LCD放电出现复位现象、对CAN总线接口端子放电出现显示吊重紊乱现象。

表2 静电放电测试报告

（1）对LCD放电出现复位

现象：本款力矩限制器上外壳单元的LCD显示部分采用排线与PCB相连，当对LCD进行15KV空气放电时，有时会导致系统重启，实验过程中尝试将LCD与PCB之间的距离加大依然没有作用。图5中右边标记处是PCB上的LCD排线接口。

原因分析：打开力矩限制器上盒发现由于排线太长，且主芯片和LCD接口距离较近，所以排线直接搭在了图5中所示的PCB板主芯片上。所以很明显的可以看出，当静电放电时，由于主要谐波分量达到了500MHz，电磁场通过排线耦合进入主芯片中，即在排线和主芯片之间产生一个寄生电容C。静电电流由排线进入经过寄生电容C从主芯片接地平面流出，由于接地平面由一定的阻抗，所以静电电流在接地平面上产生一个电压降，这个电压波动将导致主芯片复位重启。

图5 PCB主芯片和LCD连接

解决方法：通过在PCB板上增加一个EVA绝缘垫片，将排线与PCB板的距离拉大，从而使寄生电容C减小，修改后静电放电试验通过。

（2）对CAN总线接口端子放电出现走脉冲

现象：力矩限制器的CAN总线接口位于PCB端子板边缘部分，采用航空插头与外部通信。进行8KV接触放电时，发现力矩限制器与终端设备的通信数据发生混乱。

原因分析：如图6所示（左图为航空插头端子PCB板，右图为主板PCB板），力矩限制器内部通过主板经排线连接到端子板中的航空插头。由于排线的存在，导致CANH和CANL数据线会很长，当静电电弧产生一个500MHz的强磁场时，这些长导线就相当于一个电偶极子天线接收这个强磁场的辐射，从而导致数据线数据的混乱。

解决方法：在长信号导线上并联旁路电容就能很好滤除高频能量的影响。注意要将旁路电容尽可能的靠近航空插头处、排线接口处，旁路电容将高频能量导入PCB板的地中，PCB板地与金属外壳地相接，从而防止干扰串入主板影响系统的工作。