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連接器金屬外殼搭接不良對靜電放電抗擾度的影響

發布時間:2023-10-17      點擊次數:147

一、現象描述

某產品在進行靜電放電抗擾度測試時,當對產品中某PCB的DB連接器外殼(如下圖所示)進行靜電放電(-4KV 接觸放電)時,出現系統復位的現象。

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后來檢查該DB連接器,發現該連接器的外殼沒有和金屬外殼形成良好的搭接,用導電膠將DB連接器與外殼良好搭接后,再進行測試(-6KV接觸放電),工作正常,系統不再復位。

靜電測試的示意圖如下圖所示,想要詳細了解靜電測試的實質的話可以參考我之前的文章《EMC 測試實質之ESD抗擾度》:

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究竟是什么原因導致的呢?想要分析靜電帶來的問題時可以從下面幾方面來考慮:
  • 首先判斷測試位置是連接器還是縫隙,連接器是金屬的還是其它的材料的,產品外殼是金屬還是其它材料。

  • 如果是金屬材料,分析產品是否接大地(也稱為PE),如果是浮地系統,則看是否接了功能地。

  • 查看金屬連接器或者金屬按鍵等是否和金屬外殼搭接良好,金屬外殼是否接大地。

總之,靜電問題,一般都是接地不良或者金屬搭接不良導致的。

二、原因分析

靜電放電(如下圖所示)是一種瞬態能量高,寬頻譜的一種電磁騷擾 ,它主要通過以下兩種途徑來干擾EUT:

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  • 直接能量,瞬態的大電流導致內部電路損壞(如IC芯片的損壞,)或者電路出現錯誤(出現閂鎖效應)。

  • 空間耦合,由上圖可知,ESD的前沿時間很短, 約 0.7-1ns, 其頻譜范圍可以達到數百MHz,所以稍微長一點的線纜,PCB中的微帶線或帶狀線都可能形成有效的耦合。

如前面所述,在測試中發現DB連接器的金屬外殼和產品外殼之間有很明顯的縫隙,從電路的角度來看,這個縫隙就等效為一個阻抗,在DB外殼上的靜電放電電流(如圖中虛線所示)的作用下,就會產生較高的壓降ΔU

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我們知道,在圖中存在分布電容的地方有如下幾個地方:

  • DB連接器外殼及機殼與內部電路的地平面

  • DB連接器外殼及機殼與信號線之間

  • 其中DB連接器外殼及機殼與PCB中地平面之間的分布電容最大,如圖中Cp所示,該分布電容在靜電放電高頻干擾的情況下影響也最大。

在 ΔU 存在的情況下,必然導致一部分靜電放電電流經分布電容Cp流向地平面, 最后流向大地,如圖中虛線 A 所示。

實際上,PCB中的地平面也并不是理想的地面,其并不完整(完整的地平面阻抗為3mΩ),存在一定的阻抗,因為一般地平面上一定有過孔,過孔的縫隙會導致阻抗不連續。

當干擾電流流經工作地平面時,由于阻抗的存在, 就會出現壓降 ΔU1 , 而這個 ΔU1就是造成電路混亂的元兇。

另外,ΔU也是常常是引起輻射發射的超標的原因之一。

通過以上分析,我們可以認為,如果阻抗不連續,干擾信號就很難較快地泄放,這樣就會通過分布電容耦合到內部電路,從而出現損壞或者內部電路混亂。

如果搭接良好,靜電就會很快泄放到外殼上并導入到大地上(前提是外殼也接好大地)。

另外搭接良好,會使外殼具有更好的屏蔽效果,在靜電泄放過程中產生的電磁場就會被屏蔽在外殼外部, 從而保證了內部電路的穩定。

三、處理措施

為了保證DB連接器金屬外殼與產品外殼良好搭接,可以將DB連接器通過螺釘固定在外殼上面,使 DB連接器與金屬面板緊密連接。

從而保持了DB連接器外殼和金屬外殼的電連續性。這樣不僅能提高整機的屏蔽效能,還能使靜電騷擾電流通過金屬外殼很快地泄放掉, 問題得到了解決。

四、思考和啟示

經過上面的分析,我們可以得到如下啟示:

  1. 防止靜電干擾直接耦合進PCB的一個有效方法是將靜電干擾信號通過導體直接接到大地上。

  2. 要保持靜電放電點的阻抗連續。

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