楊　洋，顧衛(wèi)紅，沈小青，陸加海，陳　薇

(1．中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰　214431；2．中國衛(wèi)星海上測控部飛行器海上測量與控制聯(lián)合實驗室，江蘇江陰　214431)

0　引言

隨著電子科技的迅猛發(fā)展，芯片及PCB電路的高速率、高集成度發(fā)展趨勢，對電子設備可靠性設計提出了更高的要求。以PCB電路設計為例，由于現(xiàn)代芯片朝著高速、低功耗的方向發(fā)展，芯片工作電壓的降低，造成芯片的抗干擾能力下降；PCB多層板及高密度布線方式的采用，使走線間距變小，線寬變窄，PCB板對電磁干擾的抑制能力下降[1]。

靜電放電產(chǎn)生的電磁干擾通常表現(xiàn)為電暈放電、火花放電和刷型放電等形式，對電子產(chǎn)品的影響可以分為非破壞性影響和破壞性影響兩大類。其中非破壞性影響主要是由于靜電放電形成的干擾電流或電磁波被PCB接收，對電子系統(tǒng)造成傳導干擾和輻射干擾，這些干擾能夠造成數(shù)據(jù)錯誤或電路故障[1]。由于靜電廣泛存在，同時靜電危害的隱蔽性很強且難以發(fā)現(xiàn)，已成為現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)中的隱患，利用靜電放電模擬器對電子系統(tǒng)進行非接觸式空氣放電試驗，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在抗靜電干擾設計上的薄弱點，并加以改進。

1　設備抗靜電干擾測試方案

文中以實驗室自主設計的“基于網(wǎng)絡的開放式機房環(huán)境監(jiān)控平臺”樣機為實例，依據(jù)國標GBT 17626．2-2006《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》[2]開展測試試驗，發(fā)現(xiàn)、定位該設備在抗靜電干擾設計中的缺陷，并對設備改進方法進行了詳細的說明。

1．1設備抗靜電干擾測試方法的設計

測試用設備外殼為金屬加絕緣漆設計，溫濕度傳感器為塑料殼包裝并外置。外殼蓋上后，除控制鍵盤及液晶顯示面板外，金屬殼體完整，控制鍵盤外附加絕緣橡膠層進行防塵、絕緣保護，實物如圖1所示。殼體內部嵌入安裝有多路穩(wěn)壓電源，電能質量采集、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)采集、及系統(tǒng)綜合控制PCB板3枚。按照GBT 17626．2-2006的要求，金屬材質表面絕緣的可觸摸部位需要進行接觸放電，放電等級為6 kV，絕緣橡膠層需要進行空氣放電，放電等級為8 kV．

將被測設備分為A、B、C、D、E、F 6個測試面，其中A、B、C、D 4個測試面平均分布24個測試點，以A測試面為例，24個測試點可用二維矩陣[a1，a2，a3，a4]·[a1，a2，a3，a4，a5，a6]-1表示；E、F二個測試面平均分布16個測試點，測試點的表述方法同A測試面，如圖1所示。根據(jù)GBT 17626．2-2006的要求分別使用接觸放電，非接觸放電的方法對各測試點進行靜電抗擾度試驗。

圖1　測試用設備A面測試點示意圖

1．2測試設備及測試方法的開展

測試試驗使用NSG435型靜電放電模擬器，模擬人體持金屬物對電子儀器設備產(chǎn)生的靜電放電過程，模擬器6 kV和8 kV等級靜電放電波形如圖2所示。為確保測試結果的準確性、唯一性，在整個實驗過程中，需要將被測設備至于空間電磁環(huán)境清潔的法拉第籠內開展靜電放電測試試驗。

(a)6 kV靜電放電電流波形

(b)8 kV靜電放電電流波形

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在a12、a13、a32、a33，4個測試點開展8 kV非接觸式放電，a31、a34，2個測試點開展6 kV接觸式放電，以及在c42、c43、c44、c52、c54，6個測試點開展6 kV接觸式放電試驗時，設備出現(xiàn)放電現(xiàn)象，有死機、重啟等故障發(fā)生。試驗表明設備在上述12個測試點附近，設備存在抗靜電干擾設計缺陷。

2　故障分析及整改

通過對測試點的布局分析發(fā)現(xiàn)，A面板測試故障點主要集中在液晶顯示面板，和系統(tǒng)綜合控制PCB板定位孔附近；C面板測試故障點主要集中在設備背面的數(shù)據(jù)通信端口和電源輸入端口附近。設備故障可能是由于傳導噪聲抑制能力不足，和金屬絕緣外殼電磁屏蔽效能被破壞造成。

2．1電磁屏蔽效能不足引發(fā)的故障分析及整改

2．1．1液晶顯示面板固定支架設計缺陷及整改

a11至a34區(qū)域為設備的液晶面板區(qū)域，在對整個區(qū)域的測試點開展8kV非接觸式放電測試中發(fā)現(xiàn)，a12、a13、a32、a33，4個測試點有放電現(xiàn)象出現(xiàn)，放電點為液晶面板下塑料托架上的金屬固定螺絲，一旦產(chǎn)生放電，設備即出現(xiàn)重啟。在設備結構設計中，金屬螺絲的作用是通過固定托架將液晶面板與系統(tǒng)綜合控制PCB板固定在一起，如圖3所示。開展靜電測試試驗時，整個液晶面板區(qū)域12個測試點中僅在4個有金屬固定螺絲的地方發(fā)生靜電放電和設備重啟現(xiàn)象，說明在發(fā)生空氣放電時，靜電電流可能是通過金屬螺絲引入到了系統(tǒng)綜合控制PCB板中，PCB耐瞬態(tài)大電流沖擊能力不足，產(chǎn)生信號串擾導致設備出現(xiàn)重啟故障。

圖3　液晶面板與PCB板固定結構設計

金屬螺絲的導電性為靜電干擾的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，使用介電強度大的塑料螺絲替代金屬螺絲可以有效切斷靜電電流的侵入通道，避免PCB板受到的靜電干擾危害，但由于尋找合適規(guī)定的塑料螺絲不易實現(xiàn)，文中未采用此方法。根據(jù)切斷靜電電流侵入通道的抗靜電干擾設計思路，選擇通過在圖3-b點處添加塑料螺絲墊片、圖3-a點處填充低介電常數(shù)物質的方法，增加液晶面板至PCB板之間區(qū)域的介電強度，防止靜電電流進入PCB板產(chǎn)生靜電干擾。

通過上述改進，a11～a34區(qū)域能夠通過ESD放電試驗。

2．1．2PCB板接地固定點設計缺陷及整改

a31、a34測試點附近各有一枚金屬螺絲，作用是將系統(tǒng)綜合控制PCB板固定于金屬外殼內側，且金屬螺絲與PCB板地線進行連接設計。該結構設計的初衷是使PCB板與設備金屬外殼進行等電位體設計，但在這2個測試點進行6 kV接觸放電實驗過程中發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)故障，該設計可能存在缺陷。

結合PCB電路設計“等電位單點接地”設計原則，以及對侵入靜電電流泄放途徑的分析發(fā)現(xiàn)，當一個PCB板的地線上存在兩個等電位接地點時，外界侵入靜電電流會存在兩條泄漏路徑，第一條路徑靜電電流會沿著金屬外殼流入接地端，是抗靜電干擾設計的理想路徑；第二條路徑靜電電流會通過一個等電位接地點流入PCB板地線，再經(jīng)過另一個等電位接地點流出到設備金屬外殼，外界靜電電流侵入PCB板地線時，會改變原電路等電位，造成設備出現(xiàn)異常復位故障。

在整改設計中，采用消除靜電電流第二泄漏路徑、保持PCB電路“單點接地”的原則來增強設備抗靜電干擾能力。具體做法為：選取兩枚接地金屬螺絲中的其中一枚，在金屬外殼與PCB板固定點兩端各添加兩片塑料墊片，并在固定孔中注入填充低介電常數(shù)物質，對該金屬螺絲與PCB板地線進行絕緣處理，消除靜電電流第二泄漏路徑。

通過上述改進，a31、a34測試點能夠通過ESD放電試驗。

2．2傳導噪聲抑制能力不足引發(fā)的故障分析及整改

c42～c54區(qū)域分布有數(shù)據(jù)通信接口及設備電源接口，在對該區(qū)域進行6 kV接觸式放電測試時，設備發(fā)生死機故障。通過分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口為金屬材質，焊接固定在內部PCB板上，接口部分延伸至機殼外部，與金屬機殼無連接處理。發(fā)生靜電放電時，靜電電流通過金屬接口直接流入設備PCB控制板上，PCB控制板由于無法將靜電電荷泄漏至接地端，導致設備出現(xiàn)死機故障。此外，設備通信接口與電源接口分布于同一區(qū)域，且無防電磁噪聲隔離設計，電源系統(tǒng)出現(xiàn)的干擾噪聲也可能耦合至無接地保護的數(shù)據(jù)通信線路上，增加設備出現(xiàn)故障的可能性。

在整改設計中，首先將電源接口模塊與通信接口模塊進行分區(qū)域安裝，以隔離電源系統(tǒng)干擾噪聲對設備數(shù)字系統(tǒng)的影響；其次使用銅帶線將通信接口模塊的金屬端與金屬機殼連接成一等位體，為流入設備的靜電干擾電荷建立快速泄漏通道；最后根據(jù)電磁傳導噪聲的抑制經(jīng)驗[1]，在接口PCB板和系統(tǒng)綜合控制PCB板的排線上使用鐵氧化體環(huán)，對流入的靜電干擾電流進行抑制，同時增加排線上的高頻阻抗，如圖4所示。

3　結束語

為提高電子設備運行的穩(wěn)定性，在產(chǎn)品設計過程中都需要進行一系列可靠性驗證試驗。靜電抗擾度試驗是測試設備電磁兼容性的重要方法，通過人為產(chǎn)生靜電放電危害可以有效發(fā)現(xiàn)設備在抗電磁干擾設計上的薄弱環(huán)節(jié)，并加以改進預防。文中以某自研設備抗靜電干擾研究試驗為例，詳細說明了設備抗靜電干擾試驗的方法，故障成因分析和整改設計方案，為其他產(chǎn)品抗靜電干擾設計提供了良好的參考依據(jù)。

圖4　數(shù)據(jù)排線整改示意

參考文獻：

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[4]王水魚，何文華．便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．儀表技術與傳感器，2012(10)：76-78．