静电放电模拟器在设备抗静电干扰研究中的应用

杨　洋，顾卫红，沈小青，陆加海，陈　薇

(1．中国卫星海上测控部，江苏江阴　214431；2．中国卫星海上测控部飞行器海上测量与控制联合实验室，江苏江阴　214431)

0　引言

随着电子科技的迅猛发展，芯片及PCB电路的高速率、高集成度发展趋势，对电子设备可靠性设计提出了更高的要求。以PCB电路设计为例，由于现代芯片朝着高速、低功耗的方向发展，芯片工作电压的降低，造成芯片的抗干扰能力下降；PCB多层板及高密度布线方式的采用，使走线间距变小，线宽变窄，PCB板对电磁干扰的抑制能力下降[1]。

静电放电产生的电磁干扰通常表现为电晕放电、火花放电和刷型放电等形式，对电子产品的影响可以分为非破坏性影响和破坏性影响两大类。其中非破坏性影响主要是由于静电放电形成的干扰电流或电磁波被PCB接收，对电子系统造成传导干扰和辐射干扰，这些干扰能够造成数据错误或电路故障[1]。由于静电广泛存在，同时静电危害的隐蔽性很强且难以发现，已成为现代电子产业中的隐患，利用静电放电模拟器对电子系统进行非接触式空气放电试验，可以及时发现系统在抗静电干扰设计上的薄弱点，并加以改进。

1　设备抗静电干扰测试方案

文中以实验室自主设计的“基于网络的开放式机房环境监控平台”样机为实例，依据国标GBT 17626．2-2006《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》[2]开展测试试验，发现、定位该设备在抗静电干扰设计中的缺陷，并对设备改进方法进行了详细的说明。

1．1设备抗静电干扰测试方法的设计

测试用设备外壳为金属加绝缘漆设计，温湿度传感器为塑料壳包装并外置。外壳盖上后，除控制键盘及液晶显示面板外，金属壳体完整，控制键盘外附加绝缘橡胶层进行防尘、绝缘保护，实物如图1所示。壳体内部嵌入安装有多路稳压电源，电能质量采集、环境监测参数采集、及系统综合控制PCB板3枚。按照GBT 17626．2-2006的要求，金属材质表面绝缘的可触摸部位需要进行接触放电，放电等级为6 kV，绝缘橡胶层需要进行空气放电，放电等级为8 kV．

将被测设备分为A、B、C、D、E、F 6个测试面，其中A、B、C、D 4个测试面平均分布24个测试点，以A测试面为例，24个测试点可用二维矩阵[a1，a2，a3，a4]·[a1，a2，a3，a4，a5，a6]-1表示；E、F二个测试面平均分布16个测试点，测试点的表述方法同A测试面，如图1所示。根据GBT 17626．2-2006的要求分别使用接触放电，非接触放电的方法对各测试点进行静电抗扰度试验。

图1　测试用设备A面测试点示意图

1．2测试设备及测试方法的开展

测试试验使用NSG435型静电放电模拟器，模拟人体持金属物对电子仪器设备产生的静电放电过程，模拟器6 kV和8 kV等级静电放电波形如图2所示。为确保测试结果的准确性、唯一性，在整个实验过程中，需要将被测设备至于空间电磁环境清洁的法拉第笼内开展静电放电测试试验。

(a)6 kV静电放电电流波形

(b)8 kV静电放电电流波形

通过试验发现，在a12、a13、a32、a33，4个测试点开展8 kV非接触式放电，a31、a34，2个测试点开展6 kV接触式放电，以及在c42、c43、c44、c52、c54，6个测试点开展6 kV接触式放电试验时，设备出现放电现象，有死机、重启等故障发生。试验表明设备在上述12个测试点附近，设备存在抗静电干扰设计缺陷。

2　故障分析及整改

通过对测试点的布局分析发现，A面板测试故障点主要集中在液晶显示面板，和系统综合控制PCB板定位孔附近；C面板测试故障点主要集中在设备背面的数据通信端口和电源输入端口附近。设备故障可能是由于传导噪声抑制能力不足，和金属绝缘外壳电磁屏蔽效能被破坏造成。

2．1电磁屏蔽效能不足引发的故障分析及整改

2．1．1液晶显示面板固定支架设计缺陷及整改

a11至a34区域为设备的液晶面板区域，在对整个区域的测试点开展8kV非接触式放电测试中发现，a12、a13、a32、a33，4个测试点有放电现象出现，放电点为液晶面板下塑料托架上的金属固定螺丝，一旦产生放电，设备即出现重启。在设备结构设计中，金属螺丝的作用是通过固定托架将液晶面板与系统综合控制PCB板固定在一起，如图3所示。开展静电测试试验时，整个液晶面板区域12个测试点中仅在4个有金属固定螺丝的地方发生静电放电和设备重启现象，说明在发生空气放电时，静电电流可能是通过金属螺丝引入到了系统综合控制PCB板中，PCB耐瞬态大电流冲击能力不足，产生信号串扰导致设备出现重启故障。

图3　液晶面板与PCB板固定结构设计

金属螺丝的导电性为静电干扰的产生创造了条件，使用介电强度大的塑料螺丝替代金属螺丝可以有效切断静电电流的侵入通道，避免PCB板受到的静电干扰危害，但由于寻找合适规定的塑料螺丝不易实现，文中未采用此方法。根据切断静电电流侵入通道的抗静电干扰设计思路，选择通过在图3-b点处添加塑料螺丝垫片、图3-a点处填充低介电常数物质的方法，增加液晶面板至PCB板之间区域的介电强度，防止静电电流进入PCB板产生静电干扰。

通过上述改进，a11～a34区域能够通过ESD放电试验。

2．1．2PCB板接地固定点设计缺陷及整改

a31、a34测试点附近各有一枚金属螺丝，作用是将系统综合控制PCB板固定于金属外壳内侧，且金属螺丝与PCB板地线进行连接设计。该结构设计的初衷是使PCB板与设备金属外壳进行等电位体设计，但在这2个测试点进行6 kV接触放电实验过程中发现设备出现故障，该设计可能存在缺陷。

结合PCB电路设计“等电位单点接地”设计原则，以及对侵入静电电流泄放途径的分析发现，当一个PCB板的地线上存在两个等电位接地点时，外界侵入静电电流会存在两条泄漏路径，第一条路径静电电流会沿着金属外壳流入接地端，是抗静电干扰设计的理想路径；第二条路径静电电流会通过一个等电位接地点流入PCB板地线，再经过另一个等电位接地点流出到设备金属外壳，外界静电电流侵入PCB板地线时，会改变原电路等电位，造成设备出现异常复位故障。

在整改设计中，采用消除静电电流第二泄漏路径、保持PCB电路“单点接地”的原则来增强设备抗静电干扰能力。具体做法为：选取两枚接地金属螺丝中的其中一枚，在金属外壳与PCB板固定点两端各添加两片塑料垫片，并在固定孔中注入填充低介电常数物质，对该金属螺丝与PCB板地线进行绝缘处理，消除静电电流第二泄漏路径。

通过上述改进，a31、a34测试点能够通过ESD放电试验。

2．2传导噪声抑制能力不足引发的故障分析及整改

c42～c54区域分布有数据通信接口及设备电源接口，在对该区域进行6 kV接触式放电测试时，设备发生死机故障。通过分析发现数据接口为金属材质，焊接固定在内部PCB板上，接口部分延伸至机壳外部，与金属机壳无连接处理。发生静电放电时，静电电流通过金属接口直接流入设备PCB控制板上，PCB控制板由于无法将静电电荷泄漏至接地端，导致设备出现死机故障。此外，设备通信接口与电源接口分布于同一区域，且无防电磁噪声隔离设计，电源系统出现的干扰噪声也可能耦合至无接地保护的数据通信线路上，增加设备出现故障的可能性。

在整改设计中，首先将电源接口模块与通信接口模块进行分区域安装，以隔离电源系统干扰噪声对设备数字系统的影响；其次使用铜带线将通信接口模块的金属端与金属机壳连接成一等位体，为流入设备的静电干扰电荷建立快速泄漏通道；最后根据电磁传导噪声的抑制经验[1]，在接口PCB板和系统综合控制PCB板的排线上使用铁氧化体环，对流入的静电干扰电流进行抑制，同时增加排线上的高频阻抗，如图4所示。

3　结束语

为提高电子设备运行的稳定性，在产品设计过程中都需要进行一系列可靠性验证试验。静电抗扰度试验是测试设备电磁兼容性的重要方法，通过人为产生静电放电危害可以有效发现设备在抗电磁干扰设计上的薄弱环节，并加以改进预防。文中以某自研设备抗静电干扰研究试验为例，详细说明了设备抗静电干扰试验的方法，故障成因分析和整改设计方案，为其他产品抗静电干扰设计提供了良好的参考依据。

图4　数据排线整改示意

参考文献：

[1]辛理科，倪建平，李劲．静电放电骚扰整改实例．电磁干扰抑制技术，2010(3)：146-48．

[2]中国国家标准化管理委员会．GB/T 17626．2-2006，电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验．北京：中国标准出版社，2006．

[3]刘尚合，武占成，朱长清．静电放电及危害防护．北京：北京邮电大学出版社，2004．

[4]王水鱼，何文华．便携式数据采集系统．仪表技术与传感器，2012(10)：76-78．