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提高控制系统静电放电抗扰度的几个问题


 提高控制系统静电放电抗扰度的几个问题

      静电放电(ESD)会形成强电磁脉冲,产生频谱很宽的电磁辐射场,对微电子设备造成严重的电磁干扰和浪涌效应,是一种新的电磁干扰源;人们在研究静电技术的工业应用的同时,与静电相关联的静电危害防护研究开始受到人们普遍的关注。

      产生静电的原因大致有静电感应和摩擦起电两种,任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电的人体皮肤层上,所以人体是*主要的静电放电源头。因此,我们在研究仪表和控制系统的静电防护时,首先要涉及到人体的静电模型。

一个人体在自由空间中的电容约为50pF。除此以外,人体电容还包括脚底与地面之间的电容(约100pF)。如果人体接近墙壁等周围的某些物体,还会增加50~100pF的电容。所以人体电容等于
人体自由空间电容与平板电容之和,大小在50~250pF之间变化。人体电容也可用下列经验公式表示:

  C=0.55H+0.008KA/t(pF)

  (1)                    

  式中:

  H--人体高度(cm);

  K--鞋底材料的介电常数;

  A--两只鞋底的总面积(cm2);

  t--鞋底厚度(cm)。
      人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中,并通过一个等效的人体电阻产生放电。(该静电模型没有考虑人体电感的大小,但是电感对确定放电电流的上升沿时间有决定性的影响,应当将它计算进来。设法减小该电感的大小是设计ESD
测试仪器的主要难题之一,该电感的大小应小于0.1μH)。

一、仪表和控制系统人机界面面板材质的选择
      既然人体是*主要的静电放电源头,所以仪表和控制系统
人机界面面板材质的选择就显得十分重要。如果带电的人体通过接触使仪表和控制系统人机界面的面板携带电荷,那么面板上的放电应该通过面板表面缓慢进行,以限制电流,防止损坏。表示这一特性有一个重要参数--衰减时间τ,它可表示为:

  τ=ερ                (3)                      

  式中:ε--材料的介电常数;

  ρ--材料的表面电阻率(Ω/m2)。

其中ρ的变化范围要远远大于ε的变化范围(ε值一般为2~11,相差仅5倍,而ρ的大小要相差1010倍)所以对衰减时间τ起主要作用的是材料的表面电阻率ρ。
     
静电绝缘材料不能耗散电荷,在静电敏感环境中严禁使用。
与静电导体相比,静电耗散材料的耗散电荷的速度很慢,很安全。接地的静电耗散材料也可用于防止静电积累,

一旦物体带电,也可以安全地泄放这些电荷。

      目前,*常用的面板材质有聚碳酸酯(PC)和尼龙(PA)等。

从静电防护要求上来看,尼龙66似乎要优于其他。但是面板材质的选择,还必须考虑机械加工性能和化学稳定性。再则,即便是同样一种材料,不同制造商提供的其

表面电阻率的大小也有所不一。所以,当考虑了机械加工性能和化学稳定性后,如表面电阻率不满足要求时,可以采取如下措施:

(1)在原材料中加防静电添加剂;

(2)因为静电是仅发生在材料表面上的现象,所以可在面板表面涂层(包括在金属面板上覆盖一层涂层),使表面电阻率符合要求。

 

 

二、仪表和控制系统的信号地与保护地必须分开
 

为防止仪表控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏,在常见的防护方法中,有几种和静电放电电流的泄放路径相关。
 

1. 金属火花吸收器
 

在设计面板时应当遵循这样一条原则:静电放电电流能够直接到地,而不会流过敏感的电路或器件。若是使用绝缘键盘,那么可以在键盘与电路之间使用金属火花吸收

器,为静电放电电流提供可选择的泄放路径。
 

2. 印刷线路板上的保护环
 

操作人员将印刷线路板插拔到母板上去的动作是产生静电损伤问题的一个常见原因。为此,可沿电路板的边缘设计一个保护环,并将该保护环接地。
 

由此可见,无论是金属火花吸收器,或是印刷线路板上的保护环,乃至用金属屏蔽体将电路屏蔽接地,为避免静电放电电流不流过或靠近敏感的电路或器件,在同一个

设备上必须分别设置信号地和保护地,而且应尽量拉开它们之间的耦合距离。静电放电电流(包括雷电波和开关启/停的浪涌电流)只能通过保护地进行泄放。
 

 

 

 

      曾有资料报道,不合格的电子器件中有40%是静电放电危害造成的。在电子工业领域,全球每年因静电造成的损失高达百亿美元。由此可见,提高仪表和控制系统的

静电放电抗扰度真的很重要!
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