一种信号处理机抗静电干扰的有效方法

蒋金富

(南京电子技术研究所，南京 210039)

0 引言

静电放电(Electrostatic Discharge，ESD）就是处于不同静电电位的两个物体间静电电荷的转移。静电是由两种不同物质的互相摩擦，通过正负电荷积累在相互摩擦的两个物体而形成高电压。一个物体的可充电电压取决于其电容量，符合定律Q=CV。人体能够通过摩擦起电感应被充电至几千伏以上。这种转移有接触放电和空气放电方式。在这个过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场。ESD 会产生强大的尖峰脉冲电流，这种电流中包含丰富的高频成份，其上限频率可以超过1 GHz。ESD 产生的电磁场能量通过传导或辐射的方式影响电子设备，会导致设备运行失常或损坏。对电子设备的静电放电保护是电子产品必须经历的。在民用设备中，其电子产品只需要最大能承受8 kV的静电放电测试;而在军用设备中，则要求产品能承受2 万5 千伏的静电高压放电［1］。对于2 万5千伏的静电放电干扰而言，被试设备如果不采取有效措施，想要通过测试是很困难的［2］。

1 改进前的静电放电试验

本文的信号处理机虽然是装在一个封闭的金属机箱里，在没有进行改进前，就连1 万伏的静电放电干扰都经受不住。不管是对信号处理机机箱裸露的金属放电(如把手、锁紧螺钉）及外接的地线、电缆放电，还是对相邻的电子设备外壳放电，都会影响到信号处理机。故障体现在信号处理机死机、送给数据处理的数据中断和雷达显示器停转等方面。图1和图2 是试验中测到的静电放电波形，是用静电放电枪对信号处理机机箱的外壳作1 万5 千伏的静电放电时在机箱内测到的波形。图1中横轴每一小格为1 μs，电压变化范围在－14～+12 V;图2中横轴每一小格为2 μs，电压变化范围与图1的相同。

图1 静电放电波形1

图2 静电放电波形2

2 静电干扰机理分析

当信号处理机箱外壳受到强静电干扰时，会增大机箱连接部分的搭接阻抗，使静电放电电流不能快速到地。如果机箱本身的屏蔽和接地不是很好，连接两设备的接地不是很好，电源进线插头没屏蔽好，信号处理机箱内没采取抗静电滤波措施，以及信号处理机箱输出给显示器的数据线电缆没屏蔽好等，都会使静电干扰通过机箱外壳、电缆传到机箱里的内部电路上，使设备工作不正常。总的思路是，要尽量使机箱里的内部电路板少受到静电干扰，使电击到机箱外壳的高压静电尽快被旁路掉或抑制掉。

3 改进措施

3.1 电路板金属散热器的改进措施

3.1.1 分析

该信号处理机的印制插件是通过插件上的金属散热板紧贴机箱的金属壁来传导散热的。在该印制插件上装有两只光电转换器件，而光电转换器件的金属外壳是与印制插件上的信号地相通的。印制插件上的金属散热板与光电转换器的金属外壳相接触了，也就是信号地与设备地在插件板上过早地接在了一起(见图3）。这样，当机箱的外壳上有强静电干扰时，会通过金属散热板传到光电转换器，进而影响到内部电路。

图3 印制板上的金属散热板与光电转换器

3.1.2 改进措施

修改了印制插件上的金属散热板与光电转换器的金属外壳接触部分，即加大了金属散热板与光电转换器的金属外壳的间隙，使金属散热板与印制插件的信号地分开了。印制插件被锁紧在机箱里后，要确保印制插件上的信号地与机箱的设备地不要过早地接在一起。

3.2 机箱信号地与设备地的改进措施

3.2.1 分析

原来机箱的信号地与设备地是单独通过两根电缆送出的，在远处进行连接，即单点接地(见图4）。但是，这种单点接地会导致接地线往往较长，当频率较高时地线的阻抗很大，甚至发生谐振，造成地线阻抗不稳定。当机箱上发生静电电流干扰时，地线电流不能很快地通过地线旁路掉，会对电路产生干扰。

图4 原来机箱的信号地与设备地插座

3.2.2 改进措施

去掉原信号地和设备地的外接电缆，而把供给印制插件的直流电源的地线汇流条用铜条与机箱的金属外壳相连接上，即在机箱上就形成一点接地。再用一根防波套制成的接地线从机箱的壳体上引出外接。见图5。

试验证明，机箱的外箱壁上只能用一处对外接地，且接地电阻越小越好。

图5 改后的接地线

3.3 线缆屏蔽改进措施

3.3.1 分析

一个设计正确的电缆保护系统可能是提高系统非敏感性的关键。作为大多数系统中的最大的天线，电缆特别易于被EMI(电磁干扰）感应出大的电压和(或）电流。如果屏蔽线缆同机壳地可靠地连接，可避免传导耦合。

3.3.2 改进措施

两个机箱之间用屏蔽电缆连接，屏蔽电缆的屏蔽层与机箱采用360°搭接方式。见图6。需要指出的是，不光是电源电缆，就连数据电缆也需要这样的方法加以屏蔽，必要时再套上铁氧体磁环。

图6 电缆屏蔽

3.4 机箱的屏蔽和滤波处理

3.4.1 分析

对金属机箱而言，其屏蔽密封性是相当重要的。由于ESD 放电电流波形中含有丰富的高频谐波，如果机箱的导电连接不好，就会对机箱内的电路板产生影响。ESD 电流会通过机箱同时也通过电路板泄放到地，从而损坏线路板。所以，机箱上的各部位应采取永久性的接缝(要连续焊接）的方法进行处理，以减小机箱的搭接阻抗。

信号处理机箱的箱盖一定要屏蔽密封好，如果螺钉没拧紧使机箱盖板有缝的话，则要受到很大的影响。

铁氧体抗干扰磁芯是近年来发展起来的新型干扰抑制器件，其作用相当于低通滤波器，较好地解决了电源线、信号线和连接器的射频干扰抑制问题，而且具有使用简单、方便等优点。使用时只要把铁氧体磁芯套在被保护线路上，无须接地。利用铁氧体磁芯对高频干扰所反映出来的阻抗，使高频干扰得到有效抑制。图7为一种铁氧体抗干扰磁芯的频率特性。

图7 铁氧体抗干扰磁芯频率特性

3.4.2 措施

(a）增加机箱盖板螺钉的间距密度，在机箱盖板的四周用屏蔽铜胶带封边，加强了机箱密封性;

(b）去掉机箱面板上不必要的接插件，使对外的接触线减到最少;

(c）在电源的输入端加装一只电源滤波器;

(d）在电源滤波器的输出端加装一只大容量的电解电容器;

(e）在输入端和输出端处加装铁氧体抗干扰磁芯;

(f）在机箱内壁与印制板之间的数据线缆上加装铁氧体抗干扰磁芯。

图8为机箱中对电源加装铁氧体抗干扰磁芯、电源滤波器、电解电容器的示意图。

图8 机箱内的滤波处理

图9、图10为机箱中加装的两种电磁干扰抑制夹，便于做试验时拆装。

图9 铁氧体抗干扰磁芯1

通常，铁氧体磁芯的体积越大，抑制的效果越好。在体积一定时，长而细的磁芯比短而粗的磁芯阻抗要大，抑制效果更好。不同的干扰频率范围应选用不同的磁芯材料。锰锌铁氧体磁芯适用于干扰频率低的情况(如30MHz 或更低）;镍锌铁氧体磁芯则适用于干扰频率高的情况(25～200MHz 或更高）。当用于抑制电源线上共模干扰时，将电源进线和回线同时穿过磁芯，可防止磁芯进入饱和区。为避免磁芯在电线上活动，擦伤导线，磁芯穿在线上后要用扎带固定住。

4 结束语

图10 铁氧体抗干扰磁芯2

经试验验证，在改造过的雷达信号处理机上，通过了百余次2 万5 千伏的静电高压放电测试。不管是对信号处理机箱裸露的金属放电(如把手、盖板锁紧螺钉）及外接的地线、电缆放电，还是对相接、相邻的电子设备外壳放电，都不会影响信号处理机的工作。

［1］Tim Williams.电磁兼容设计与测试［M］.4版.北京:电子工业出版社，2008.3.

［2］钱振宇.3C 认证中的电磁兼容测试和对策［M］.北京:电子工业出版社，2004.7.