涵道式无人飞行器静电防护技术研究

哈尔滨市高新技术检测服务中心 肖 猛 刘金凤 刘修宽 秦 萌



涵道式无人飞行器静电防护技术研究

哈尔滨市高新技术检测服务中心 肖 猛 刘金凤 刘修宽 秦 萌

【摘要】涵道式无人飞行器在飞行过程中产生的静电放电，可能会干扰飞行器通讯和导航系统使其飞行受到影响，严重的情况可能会导致油箱起火甚至爆炸。本文针对涵道式无人飞行器的静电放电现象展开研究，就静电放电对飞行器的危害及飞行器的静电防护要点进行了阐述。

【关键词】涵道式无人飞行器；静电放电；防护

1　引言

涵道式无人飞行器是一种特种无人飞行器，它的动力来源于风扇置于环形涵道内所构成的推力或者升力装置。与普通固定翼及旋翼式无人飞行器相比，它具有更紧凑的结构，更低的气动噪声和更好的使用安全性。涵道无人飞行器具有垂直起降和悬停的飞行特性，在体积、隐蔽性和飞行性能上都具有鲜明的特点，已成为当今微小型无人机研究开发领域的研究热点，并开始从军用逐渐普及到警用和民用，具有广泛的应用前景。涵道式无人飞行器工作环境特殊，其所处的电磁环境也相当复杂。

静电放电是涵道式无人飞行器所处的电磁环境中重要的一个因素,它是日常生活中常见的一种现象，静电的许多功能已经广泛地应用到产品中，如静电喷涂、静电复印和静电分离等。然而，静电放电也会导致一些危害，可能导致设备的功能紊乱甚至元器件损坏。静电放电对于电路引起的干扰、对元器件及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。尤其是针对无人飞行器来说，如果其电路受到干扰或破坏，极有可能导致飞行器不能完成预定工作，严重时可能会发生坠落甚至引起油箱起火爆炸，是涵道式无人飞行器无法回避的安全问题。

2　静电放电形成的机理及其危害

涵道式无人飞行器在设计时，由于其自身的工作特点，对重量和体积的限制非常严格，传统的元器件重量和体积均较大，不适用在涵道式无人飞行器上使用。因此，半导体器件和集成电路被广泛的应用在无人飞行器的控制和导航系统上，多数半导体器件都容易受静电放电而损坏，大规模集成电路器件尤为如此，因此涵道式无人飞行器非常容易受到静电放电的影响而导致一系列安全问题。

半导体器件中管脚与绝缘层被静电放电击穿的静电电压值称为半导体器件的易损性。常见的半导体器件对静电放电的易损值为100V～3000V，器件在承受几百到几千伏的静电电压时，就会被静电放电击穿。涵道式无人飞行器在地面调试过程中，经常会承受人体上所带的静电，而人体所带的静电的电压值可轻易的达到几千伏；涵道式无人飞行器在高空飞行的过程中，与大气之间的摩擦同样可能产生幅度较高的静电。在这两种典型的工作状态下，涵道式无人飞行器均容易遭到静电放电对电路的损害。

除了容易造成电路的损害以外，静电放电也极易对飞行器中的电子电路造成干扰。静电放电对电子电路的干扰有传导和辐射两种方式：

传导方式：如果电路中的某个部分构成了放电路径，则静电放电电流直接侵入设备内的电路，流过集成芯片的输入端，造成对电路的干扰。

辐射方式：静电放电时往往会伴随火花并产生尖峰电流，该尖峰电流中包含有丰富的高频成分，感应出的磁场和电场能够在静电放电产生点附近的信号环路中感应出干扰电动势。产生的干扰电动势很可能超过逻辑电路的阀值电平，引起误触发。

3　静电放电防护要点

减小静电放电对涵道式无人飞行器的影响的方法可归结为三种：（1）阻止静电放电的产生，也即控制骚扰源；（2）静电放电发生后，阻止其产生的电场和磁场耦合到飞行器的电路，即切断耦合途径；（3）通过产品电磁兼容设计和对策来增强飞行器对静电放电的抵抗能力，即提高抗扰度。前两种方法在技术上是可以实现的，但单纯从涵道式无人飞行器本身的角度来看，通过一系列措施增强其对静电放电的抵抗能力是才最可靠且最经济的做法。

涵道式无人飞行器应在电路设计的最初阶段就考虑静电放电的防护要求，在达到同样的防护效果的前提下，考虑的越早，其成本就越低。一个产品如果在成型以后才考虑静电防护，所花费的成本是在设计最初就考虑静电防护所花费的成本的100倍以上。本文主要从外壳结构设计、电路设计和印制电路板设计三个方面来讨论静电放电的防护。

3.1外壳和结构设计

从外壳和结构设计的角度来讲，涵道式无人飞行器静电放电的防护可采用“堵”和“疏”两种方法。如果壳体密不透风没有任何缝隙，静电就无从而入，自然就能解决静电放电防护的问题。但对于涵道式无人飞行器来说，这一点是非常难于做到的，通常都会有散热用的孔和缝隙。因为静电会穿过孔洞、缝隙放电，所以绝缘外壳的孔洞、缝隙与内部电路间应留有足够的空间。对外壳上的孔、洞、排气口等，用几个小孔代替一个大孔，既可以保留散热的功能，又能很好的对静电进行防护。

所谓“堵”，是增加壳体的厚离，即增加外壳到电路板之间的距离，静电产生的影响会随着距离的增加而大幅度衰减，达到了静电防护的目的。

所谓“疏”，是将EMI油漆喷涂在壳体的内侧。由于EMI油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，再将壳体与设备的地连接，将静电从地导走。这样处理的方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI的干扰。如果有足够的空间，还可以用一个金属屏蔽罩将其中的电路保护起来，金属屏蔽罩再连接设备地。

在外壳设计时，应结合涵道式无人飞行器允许的最大重量和静电防护等级要求并结合成本控制，综合考虑确定外壳和结构的设计方案。

3.2电路设计

一般来说，与外部设备连接的接口电路都需要加保护电路，其中也包括电源线，这一点往往被硬件设计所忽视。常用的瞬态抑制保护电路有以下几种：

（1）箝位二极管保护电路：

箝位二极管保护工作原理如图1所示。

图1　箝位二极管保护电路

本电路具有很好的保护效果，同时其代价低廉，适合成本控制比较严、静电放电强度和频率不严重的场合。

（2）压敏电阻保护电路。

使用压敏电阻保护电路的特点是简单、经济、瞬态抑制效果好、对电路带来的负面影响较小，且可以获得较大的保护功率。

（3）瞬态电压抑制器（TVS管）。

TVS管是最近发展起来的一种固态二极管，适用于静电防护。改进后的TVS管更适用于低压电路，且封装集成度高，占用空间小，适用于电路板空间紧张的情况下使用，其适用范围比较广泛。

3.3印制电路板（PCB）设计

PCB设计对提高系统的静电放电防护能力有着重要作用，PCB上的走线是静电产生电磁干扰的发射天线。为了把这些天线的耦合降低，要求线尽可能短，环路面积尽可能小。

电流通过感应进入到电路环路，电流的幅度与环路的面积成正比。环路越大，包含的磁通量就越多，会导致在电路中感应出较强的电流。因此，必须减少环路面积，如图2所示。在可能的条件下，可以采用具有电源及接地层的多层PCB设计。多层电路板不仅将电源和接地间的回路面积减到最小，而且也减小了静电放电脉冲产生的高频电磁场。

图2　减小环路面积

4　结束语

静电是造成涵道式无人飞行器飞行失常甚至起火爆炸的重要原因之一，随着技术的发展和产品的复杂程度的提高，静电的危害也越来越被人们重视。涵道式无人飞行器无论是在地面的调试期间或在高空飞行期间，绝大部分时间都处于一个充满静电的环境之中，静电可能来自人体对飞行器的直接触碰，可能来自人对飞行器临近物体的触碰，也可能来自飞行过程中与大气的摩擦。如果不注意静电防护问题，不仅降低了产品的可靠性，增加了维修成本，也使生产厂家的形象大打折扣。本文以涵道式无人飞行器为例进行分析，阐述了静电放电的危害，静电放电的测试方法并提出相应的防护设计对策，期望能对关心涵道式无人飞行器静电防护生产厂家和设计人员有所帮助，同时引起对静电防护不了解的生产厂家和设计人员的重视。

参考文献

[1]刘尚合.静电放电及危害防护.北京邮电大学出版社,2004.

[2]朱文立.电子产品的静电放电测试及其对策.电子质量,2003(3).

[3]朱文立.电磁兼容设计与整改对策及案例分析.电子工业出版社,2011.

基金项目：质检公益性行业科研专项项目——民用涵道式无人飞行器和工业机器人质量安全检测技术研究（编号：201410126）。