于 虹,黃大明,高 晨
(1.國家電子計算機外部設備質量監(jiān)督檢驗中心,浙江 杭州310012;2.杭州電子科技大學新型器件與應用研究所,浙江 杭州310018)
電磁兼容性是設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。靜電放電干擾是影響電磁兼容性的重要因素之一,已成為對電子工業(yè)危害較大的干擾源[1]。早在20世紀80年代,國內(nèi)外學者就開始了對靜電放電及干擾的研究,其中日本和美國早期對靜電干擾的研究主要采用解析方法,集中研究了靜電火花放電過程中產(chǎn)生的電磁場模型。我國現(xiàn)用的靜電放電抗擾度試驗標準為GB/T17626.2 等同于國際標準IEC61000-4-2,雖然經(jīng)過多次修改,但還存在許多問題,仍稍滯后于國際標準[2]。本文用接觸放電法,測試并提高耦合板的抗擾度。
靜電放電有多種形態(tài),由于靜電源或帶電體可能是固體、液體,加上帶電體本身的大小、形狀、帶電量的多少、放電環(huán)境的不同,靜電干擾無處不在。在公共場所,人員來回走動,空氣、塵埃到處漂浮,辦公設備、移動設備比比皆是。高達3 萬伏的電壓會存在于陰極射線顯像管顯示器中,電子受高壓影響會導致靜電荷在顯示器表面產(chǎn)生,電荷在無法放電的情況下經(jīng)過長時間積累,形成對顯示器影響較大的高壓正電荷區(qū)域。
隨著電子電力技術的發(fā)展,開關電源在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用,工作狀態(tài)下的開關電源會產(chǎn)生基波和高次諧波,并且向周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射,部分高頻電磁波會被處于輻射環(huán)境中的物體吸收,造成物體表面靜電荷大量積累。若處于輻射環(huán)境中的金屬物體接地不良,金屬物體表面的電荷積累到一定程度,會在一定的場強下對外放電,造成不必要的損失。作為長期處于工作狀態(tài)的安防系統(tǒng),其靜電現(xiàn)象也不可避免。
在靜電放電試驗中,利用一塊金屬片或金屬板,用來模擬對受試設備附近物體的放電過程。其中,接觸放電法是一種常用的放電試驗方法,是將靜電放電試驗發(fā)生器與受試設備保持良好接觸,并且觸動
試驗發(fā)生器開關,連續(xù)對受試設備進行放電,以測試受試設備能否通過該種放電測試。對安防系統(tǒng)進行靜電放電試驗,實驗布置如圖1所示。
圖1 靜電放電試驗布置
在試驗過程中,對測試所要求的各點進行放電試驗。當靜電槍靠近機殼前端部分的螺孔并施加±6 kV的接觸放電試驗時,安防系統(tǒng)出現(xiàn)了圖像輕微抖動現(xiàn)象。對電源輸入接口及視頻輸出接口施加±6 kV的接觸放電時,會出現(xiàn)嚴重抖動現(xiàn)象,有時會出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)死機的現(xiàn)象。
由于靜電放電抗擾度試驗適用的國家標準是推薦性標準,不是強制性標準,本文對安防系統(tǒng)靜電放電試驗得出的問題進行了梳理、歸納,總結出對安防系統(tǒng)靜電放電試驗的改進方案,希望對有類似靜電放電問題困擾的提供一些借鑒。
在安防系統(tǒng)模擬靜電放電試驗中,對機殼靠近前端部分的螺孔進行±6 kV 測試時,顯示出現(xiàn)細微圖像抖動,對電源板輸入接口進行測試時,會出現(xiàn)嚴重抖動現(xiàn)象,圖像變黑后再變?yōu)檎!=?jīng)分析發(fā)現(xiàn),由于電源線不接地,靜電電流不能順利泄放從而影響到電源板,產(chǎn)生上述現(xiàn)象。為了加強電源板靜電防護能力,調整了電源輸入部分濾波和抑制電容、整流與輸出耦合部分電容的數(shù)值,部分電容測試圖如圖2所示。
圖2中,C3可用于抑制輸入電路的差模噪聲,C2、C8與L1構成共模濾濾器,用以抑制共模噪聲。其中C3、C2、C8與變壓器L1的阻抗為:
C26是耦合交流整流后的地HGND與輸出部分的地GND的耦合電容。所以,在測試過程中發(fā)現(xiàn),當C3、C2、C8、C26任一個使用多層片式陶瓷電容器時,都會對靜電放電測試產(chǎn)生不良影響,其中C3、C2、C8會在靜電槍測試電源輸入接口時產(chǎn)生影響,C26會在測試視頻輸出接口時產(chǎn)生影響。全部換用插件高壓高介電常數(shù)瓷介質電容器后,靜電放電測試通過。測試時特別除去了C2、C8,盡管C3、C26使用的是高壓高介電常數(shù)瓷介質電容器,但仍會出現(xiàn)圖像抖動的問題。這一現(xiàn)象說明,電源輸入部分的共模濾波器對靜電放電防護意義重大。
圖2 部分電容測試圖
視頻模擬輸入儀器DS8016HS-S VGA 在使用時偶有白屏出現(xiàn),經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),是由于8016HS-S VGA 使用了新的A/D 前端TW2864 芯片所致。通過靜電槍對設備視頻信號輸入口施加±6 kV 靜電放電,經(jīng)過幾次測試后設備重復出現(xiàn)白屏現(xiàn)象,并且TW2864 芯片損壞,經(jīng)過更換TW2864 芯片后達到正常。對前端芯片為TW2816的DS8016HS-S 設備進行±6 kV 靜電測試,設備工作正常。比較TW2864和TW2816 前端電路,TW2816 前端輸入視頻信號要求VIN=0.5 VPP,TW2864 前端輸入視頻信號要求VIN=1VPP。具體電路圖如圖3所示。
圖3 TW2864和TW2816 前端電路
經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)TW2864 芯片的設計,從外部視頻輸入接口,到主板TW2864 芯片,沒有靜電限流電阻存在。其中在TW2816中,各節(jié)點電流關系為:
雖然可得VIN=0.5VPP靜電放電是高頻信號,幾千伏沖擊電壓,經(jīng)過TVS 鉗位后,沖擊電壓仍然高達100 多伏。
加入6 kV 靜電測量0.1 μF 耦合電容后,TW2864輸入前端的信號損壞,出現(xiàn)白屏,經(jīng)調整設計,增加靜電限流電阻。改進后電路圖如圖4所示。對更改后的設備,靜電±6 kV 放電測試200次以上,圖像顯示正常,且芯片工作正常。串聯(lián)的100 Ω 靜電限流電阻大約降低了50 V 左右的沖擊電壓,而且可以將原來的10 A級的沖擊電流大大降低。經(jīng)過本次對系統(tǒng)前端的改進,抗靜電干擾度有較好改善。
在安防設備設計時,不僅需要考慮泄放靜電電荷通道,也需要考慮差模及共模抑制。在金屬外殼受到靜電放電沖擊時,靜電干擾應當減小外殼與內(nèi)部電路系統(tǒng)產(chǎn)生較高的電位差,同時還要防止該電位差對內(nèi)部電路系統(tǒng)造成二次靜電放電干擾。解決該問題的可行方法是加TVS 管保護、芯片管腳,增加靜電限流電阻、加耦合電容并注意電容的材質及封裝的使用。這樣可在安防系統(tǒng)中減小靜電干擾帶來的不利影響。
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