EMC實(shí)踐工作中,如何避免靜電放電干擾

1.  現象描述

    產(chǎn)品在進(jìn)行 25KV 空氣靜電放電抗干擾試驗時(shí)，對儀表顯示屏正下方外殼的縫隙位置放電時(shí)，儀表盤(pán)液晶屏字符顯示錯誤，出現斷碼、花屏等現象，具體見(jiàn)下圖 1 所示：

圖 1 空氣放電實(shí)驗

2.  原因分析

      首先我們來(lái)分析信號形成的原理，當一個(gè)電平被輸入，要區別它是有用信號或無(wú)用信號，必須對其電平值進(jìn)行判定識別。簡(jiǎn)而言之，就是要判定信號的電平大小、極性、頻率等參數，必須要有一個(gè)總體的參考電平為基準。在電路設計中，我們把電流回路作為單個(gè)系統的總的參考電平基準，即 0V 電平。如示意圖 2 所示，信號等于輸入電平減去參考電平，得出的信號電平可能是正極性，也可能是負極性。只要單個(gè)單元回路的參考電平一致且穩定，那么整個(gè)電路單元就能按原設計指標正常地運作。

圖 2

      在 EMC 實(shí)踐工作中，靜電的干擾方式、耦合途徑、耦合的脈沖電壓、極性等多種多樣，從泄放途徑上基本上大致分為直接干擾和間接干擾兩大類(lèi)，對電路的影響主要表現在信號干擾和回路干擾兩種基本形式，見(jiàn)下圖 3。

圖 3

      該汽車(chē)儀表總成的測試現象為空氣 25KV 等級對顯示屏周邊的縫隙進(jìn)行放電，出現顯示錯誤或工作異常，對應圖 5 我們就能找出空氣放電干擾的基本形式——即靜電場(chǎng)干擾。此時(shí)還需要分析清楚這個(gè)靜電場(chǎng)是如何導致系統工作異常的，是如何耦合到內部電路系統的，是信號通路還是回路**擾等等問(wèn)題。只有把病因了解透徹，才能從根本上**病癥。對應前面所述的測試現象，其靜電的幾種干擾形式可以借助示意圖 4、5 來(lái)分析。

圖 4                                                      圖 5

     圖4示意圖所示為多層板之間的形成的靜電場(chǎng)干擾示意圖，在多層PCB板中，往往很多信號走線(xiàn)被敷設在了電源層或地層的相鄰層或中間層，根據我們的大量實(shí)驗分析證明，在靜電放電抗擾度試驗中，一旦地層的泄放路徑阻抗較大時(shí)，那么與之相鄰層的信號層或電源，就極易被地層上形成的靜電場(chǎng)所耦合。同理，電源層形成的靜電場(chǎng)原理類(lèi)似，圖 4 中，主要是考慮多層 PCB 所導致的失敗因素。

      圖 5 所示多見(jiàn)于單面或雙面板的結構分布，由于 PCB 的走線(xiàn)或周?chē)匿伒亟Y構引起，被直接或間接注入靜電脈沖電壓，它所形成靜電電流流動(dòng)的環(huán)路而產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分布，在該靜電電流環(huán)路中的系統或單元模塊會(huì )因此而耦合到場(chǎng)能量，如果有多個(gè)單元或模塊，那么每個(gè)單元或模塊所耦合到的靜電場(chǎng)能量會(huì )根據 PCB結構的布置而有所不同。圖 4、圖 5 在理論上，又可以用圖 6 的等效圖來(lái)幫助分析。

圖 6

      電場(chǎng) E0 等于 V0 比上兩個(gè)平行通路的距離 h 。在實(shí)際的生產(chǎn)和過(guò)作中，我們會(huì )發(fā)現，由于走線(xiàn)的結構、導體橫截面積、器件分布、通路阻抗等因素的影響，會(huì )導致多個(gè)不同強度的場(chǎng)分布，如圖 5 所示，形成靜電場(chǎng) A 與靜電場(chǎng) B 兩個(gè)強度不同的場(chǎng)分布，處于該場(chǎng)分布中的 IC1 和 IC2 兩個(gè)單元模塊會(huì )受到兩個(gè)不同強度的靜電場(chǎng)干擾，假設場(chǎng)分布中 IC1 和 IC2 的中間走線(xiàn)看似為偶極子天線(xiàn)，有效長(cháng)度為 hd ，那么根據理論公式計算，能夠在其走線(xiàn)上感應到兩個(gè)不同的電壓值，設靜電場(chǎng) A 為 E1，靜電場(chǎng) B 為 E2，由于 E1≠E2，設定兩個(gè)單元的有效天線(xiàn)長(cháng)度相同（實(shí)際中對應兩個(gè)單元模塊而言永遠不可能一致），*終得出 V1 ≠ V2。計算方法如下：

      當所感應到的 V1、V2 能量足夠高、△V1V2 足夠大時(shí)，就能夠擾亂 IC1 和IC2 之間的正常通訊信號，根據前面圖 2 的分析基礎，此時(shí)的信號等于信號走線(xiàn)上感應到的脈沖電壓減去回路電平，如圖 7 所示。此時(shí)的電路已經(jīng)無(wú)法識別信號，導致電路工作異常中斷。

圖 7

3.  整改措施

     通過(guò)上述的理論分析，該產(chǎn)品的故障因素主要是由靜電場(chǎng)干擾所引起，要解決場(chǎng)干擾問(wèn)題，大致的方法有兩種：一是采用泄放的方法，對敏感的“天線(xiàn)”進(jìn)行有效地去耦處理，在信號通路上進(jìn)行泄放，達到通過(guò)的目的；二是采用屏蔽的方法，對敏感的單元模塊、“天線(xiàn)”等進(jìn)行必要的靜電屏蔽，保證信號與參考電平的差值不發(fā)生突變，使之正常工作。無(wú)論我們采用何種技術(shù)方案，其根本的目的還是在于消除信號電平與回路參考電平的差值不會(huì )突變。如下圖 8 所示，使單元電路的輸入電平和回路電平保持同時(shí)的升高或降低，對于信號電平總差值而言，可以基本維持不變化。

圖 8

     靜電的器件通?？刹捎萌?TVS、放電管、壓敏電阻、高分子吸收材料、電容等器件。對于信號端口而言，*有效、成本*低、性能*可靠的還是選用電容器件，利用電容對脈沖信號的瞬時(shí)導通的特性，可以迅速地將靜電脈沖往低電勢方向泄放，達到平衡的目的。

      進(jìn)一步分析產(chǎn)品內部結構，圖 11 為 LCD 屏信號走線(xiàn)，其走線(xiàn)較長(cháng)，空白位置沒(méi)有鋪設地層，留有較多空白處，在靜電放電時(shí)，走線(xiàn)極易形成天線(xiàn)效應。                                 

圖 9  顯示數據線(xiàn)的走線(xiàn)

    圖 10 是 LCD 與主板的連接結構，直插式，距離較高，約 1cm。LCD 數據引腳也可能形成天線(xiàn)效應，接收到靜電場(chǎng)強干擾。

圖 10  LCD 屏的引腳連接結構圖

      通過(guò)基本電路結構的分析，PCB 在布板時(shí)，尤其是在 LCD 屏的數據走線(xiàn)的設計方面，存在不足，走線(xiàn)較長(cháng)，且走線(xiàn)空白處和芯片周邊未鋪地，沒(méi)有隔離和吸收作用地層，LCD 在組裝結構上同理，插件引腳太長(cháng)，沒(méi)有增加任何去耦措施，導致靜電在放電過(guò)程中，所有的數據線(xiàn)全部成為了接收天線(xiàn)。在設計上稍作改進(jìn)便能通過(guò)測試，但客戶(hù)的產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)，后期不對 PCB 進(jìn)行大改。故制定的整改方案是在不大改 PCB 板的前提下調整或增加器件，并保證成本和工藝的可行性。

     根據前面所述原理，制定整改方案：

1、對靠近邊沿的重要數據線(xiàn)，采用去耦的技術(shù)方法，減小其“天線(xiàn)”的接收能力，使其對地形成泄放路徑，達到抑制靜電干擾的目的。在 LCD 引腳上采用 100pF電容與地并聯(lián)，如圖 11 所示；

 圖 11  數據線(xiàn)去耦

2、對走線(xiàn)進(jìn)行屏蔽。由于引腳過(guò)長(cháng)，對屏引腳進(jìn)行靜電場(chǎng)屏蔽處理，消除電場(chǎng)影響，在 LCD 左右兩邊的引腳支架上，采用銅箔屏蔽并良好接地，用于吸收靜電干擾。屏蔽措施在重新的設計改進(jìn)中，可以更改為 PCB 走線(xiàn)間鋪地和 LCD引腳周?chē)伒卮妗?

圖 12 LCD 屏蔽

4.  試驗驗證

25KV 靜電放電試驗通過(guò)。