靜電防護技術在航空電子時鐘上的應用

飛亞達（集團）股份有限公司 屈 哲 王文曉 曾慶宇

靜電防護技術在航空電子時鐘上的應用

飛亞達（集團）股份有限公司 屈 哲 王文曉 曾慶宇

靜電會對航空電子設備造成嚴重的影響，對靜電的防護措施非常重要。本文介紹的是適用于民航駕駛艙機載電子時鐘的靜電防護設計，靜電防護效果顯著，很好地滿足了適航技術指標的要求。

靜電防護；電子時鐘；TVS

1.概述

靜電放電（Electro Static Discharge，簡稱ESD）是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起電荷轉移，靜電荷從一個集中區域流向相反電荷集中區域或者靜電荷稀少區的現象。

航空電子時鐘正面有LCD顯示屏和按鍵，在組裝、測試、存放、搬運以及使用過程中由于摩擦而產生靜電荷或由于接觸而將空氣，人體或帶電物質中的靜電荷轉移到顯示屏或按鍵上。由于顯示屏采用的基板為玻璃材質，為絕緣材料，當表面有電荷積累時無法導電通路釋放，會一直累積在表面。當大量積聚的靜電荷發生放電時，會導致顯示異常，甚至會造成系統運行故障及時鐘內部器件產生永久性破壞，所以必須采取措施應對靜電放電。航空電子時鐘是駕駛艙設備，根據RTCA/DO-160F機載設備環境條件和試驗程序第25章靜電放電（ESD）要求，其適航靜電指標為抗15000V試驗量級的靜電放電脈沖能力，即在每個選定的位置施加10次脈沖（10次正電壓和10次負電壓）。

2.靜電危害與防護措施

2.1 靜電的原理及危害

所謂靜電，就是一種處于靜止狀態的電荷或者說不流動的電荷。當電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了靜電。而產生靜電最普通的方法就是摩擦生電，材料的絕緣性越好，越容易摩擦生電，也叫摩擦起電。如飛機表面與空氣接兩個具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場感應引起的兩物體間靜電電荷的轉移, 便形成靜電放電（ESD）。同時，人體因為身著衣物的摩擦或在高電阻率制成的絕緣地面上走動時，也會產生靜電。

2.2 靜電放電的危害

ESD是一種常見的近場危害源，可形成高電壓，強電場，瞬時大電流，并伴有強電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖。不僅對電子器件造成嚴重的干擾和損傷，

而且由于靜電損傷具有潛在性和累積性的特點，一旦形成潛在危害就使電子設備的可靠性降低。主要體現在以下幾個方面：

靜電吸附灰塵，改變線路間的阻抗。

破壞電子元器件，會使電子元器件自身短路，開路，功能喪失等。

放電瞬間電場或電流產生的熱，使電子元器件表面溫度升高，元器件仍能夠工作，但是影響其使用壽命。

2.3 靜電防護措施

預防靜電的防護措施主要有：接地法，屏蔽法和中和法。接地就是將靜電通過一小線路的連接直接瀉放到大地接地（電阻小于10歐姆）。屏蔽法是飛機設備在使用過程中會暴露于有靜電的區域，用靜電屏蔽電纜和防靜電設備殼體箱等作為保護，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響。中和法是絕緣體往往易產生靜電，對絕緣體靜電的消除，通常采用的方法是離子中和（部分采用屏蔽），此方法一般用于設備工作房等場所。

3.航空電子時鐘靜電防護技術

3.1 航空電子時鐘靜電干擾問題

航空電子時鐘上，人直接接觸的位置包括按鍵，屏幕，外殼等部件。所以必須要對以上部件進行靜電防護設計。同時飛機與空氣摩擦，加油或油箱內油液的流動及清潔飛機時用具與機件表面的接觸等也會產生靜電，通過電子時鐘接口進入時鐘內部，必須要對電子時鐘接口的電源和ARINC429通信進行靜電防護設計。

所以需要進行靜電防護的部位包括：面框，面玻璃，LCD顯示屏，顯示接口電路，按鍵電路及接口。

3.2 顯示器組件靜電干擾防護設計

航空電子時鐘的顯示器組件包括面框、面玻璃、LCD顯示屏。顯示屏外周為合金材質的面框和起保護作用的面玻璃，面框上還有用于操作電子時鐘的按鍵，見圖1。顯示屏幕正面緊貼面玻璃，四周被面框包裹，背部通過FPC與電子時鐘PCBA連接。

圖1 航空電子時鐘正面效果圖

（1）面框防靜電設計

面框組件結構見圖2，面框組件由鋁合金材質的面框和鋼化玻璃組成，鋼化玻璃一面鍍有ITO導電膜，使整個玻璃面成為導體；鋼化玻璃通過導電粘合劑與面框粘接在一起，粘合位置如圖2紅色部分所示，粘合之后的玻璃鍍有ITO導電膜側與粘合劑導通，粘合劑與面框導通，面框組件成為一個導體。面框組件與金屬外殼形成一個導體。

圖2 面框組件結構圖

（2）LCD屏幕防靜電設計

屏幕顯示接口電路見圖3，屏幕顯示接口電路直接與電子時鐘的MCU互聯，為了防止靜電對MCU運行造成干擾，在屏幕顯示接口電路與地線（GND）之間增加了ESD防護器件TVS瞬態抑制二極管D1、D2。

圖3 顯示屏幕接口靜電防護電路

（3）按鍵防靜電設計

按鍵電路見圖4，按鍵電路直接與電子時鐘的MCU互聯，為了防止靜電對MCU運行造成干擾，在按鍵電路與地線（GND）之間增加了ESD防護器件TVS瞬態抑制二極管D1、D2，D3，D4。

圖4 按鍵靜電防護電路

3.3 時鐘接口靜電防護設計

接口部分主要包括ARINC429通信接口和電源接口ARINC429 接收端的兩路接口，使用雙向TVS瞬態抑制二極管，共模方式作ESD 防護；因為傳輸采用雙絞屏蔽線，可以抑制差模干擾。電源接口的輸出端口使用單向TVS瞬態抑制二極管作ESD的差模防護。

在實際使用場合，電子時鐘的外殼與系統殼地連接在一起，當帶有靜電荷的人體或其他物體靠近或接觸電子時鐘的操作面板時會發生靜電荷轉移，靜電荷會通過面框組件轉移到外殼，然后通過系統殼地釋放。當外部的靜電感應使屏幕顯示接口電路或按鍵電路上瞬間電壓超過閾值時，ESD防護器件D1～D4將會瞬間導通，使電路上電壓恢復正常，有效保證MCU的正常運行不受靜電的干擾。

3.4 航空電子時鐘靜電防護設計效果

依據適航標準RTCA/DO-160F機載設備環境條件和試驗程序第25章靜電放電（ESD）要求，航空電子時鐘適航靜電指標為每個選定的位置施加10次15000V試驗量級脈沖（10次正電壓和10次負電壓）。

在未實施航空電子時鐘做靜電防護設計前，航空時鐘在經受靜電放電試驗時，出現花屏等嚴重錯誤。實施靜電防護措施以后，時鐘運行正常，取得了非常好的效果。效果對比見圖5。

圖5 效果對比圖

4.結論

本文運通接地法和屏蔽法對航空時鐘實施雙重防靜電設計，解決靜電防護問題，其空氣放電的靜電防護等級可達到4級，即±15KV，效果明顯，對于航空電子設備的安全性和可靠性來說至關重要。

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[2]李秀峰,邱楊,丁高.靜電放電及其防護技術[J].國外電子測量技術,2006(2):9-12.

[3]RTCA DO-160F-2007,Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment(機載設備的環境條件和測試規程)[S].