力矩限制器靜電放電抗擾度分析與測試研究

張楠珂，陳鵬慧

（湖南信息職業技術學院，湖南長沙，410200）

0 引言

力矩限制器是起重機的超載保護裝置，它通過傳感器實時獲取起重機的工作狀態。起重機的作業和存放環境不分國境，不分晝夜，往往是長期經受酷熱或者低溫的考驗，其工作場所是充滿了各個頻段電磁干擾，工作環境惡劣。并且由于起重機的頻繁吊重，力矩限制器時常處于劇烈的振動當中，其工作電源和數據采集都會因此而產生極大的波動，所以對力矩限制器在惡劣環境下工作的穩定性和可靠性提出了很高的要求。本文通過對力矩限制器整機的靜電放電抗擾度分析與測試研究，為力矩限制器設計的穩定性和可靠性提供實踐基礎。

1 靜電放電抗擾度試驗

物理試驗表明，當人行走在纖維毯上時人體所攜帶的靜電電荷量高達10-6C以上，而人與地毯還有大地間的電容大概在100pF左右，所以可以產生高達15kV的瞬時電壓。靜電可以使電子設備工作異常，如復位，使得吊重精度產生誤差，甚至可以擊穿半導體元器件造成設備故障。

靜電放電試驗方法與設備:

（1）試驗等級

由于電力系統中電磁環境的復雜，所以一般規定力矩限制器的靜電放電試驗（包括接觸放電和空氣放電）等級達到最高的四級，表1為國標所規定的試驗等級。

表1 靜電放電試驗等級

（2）試驗環境與設備

實驗室的參考接地平面，如果采用的是銅板或者鋁板則厚度應該大于0.25mm，如果采用其他金屬材料作為地平面則厚度應該大于0.65mm。參考接地平面至少要大于1m2，并且接地面四周每邊的長度至少要超過水平耦合板0.5m以上，并且要與保護接地線連接起來。注意力矩限制器作為被測試設備應該與實驗室周圍物體（如墻壁、各類結構等）間距至少大于1m，并且力矩限制器只能與保護接地線相連，不能與其他接地線相連。如圖1所示，靜電放電器與力矩限制器都放在一個距接地參考面0.8m的木桌上，桌面上垂直耦合板的大小為0.5m×0.5m，水平耦合板的大小為1.6m×0.8m，并且采用一個0.5mm的絕緣板將力矩限制器與耦合板隔離開。

圖1 試驗設備布置

（3）試驗方法

靜電放電有兩種方式：接觸放電和空氣放電。接觸放電的測試方法：將力矩限制器接上電源并平放在測試臺上。連接好靜電槍，將靜電槍尖頭垂直頂在力矩限制器被測面上，放電以每秒1次的速度進行，并隨意移動到可以用手接觸到的不同部位，每個部位放電20次左右（正極和負極各10次）同時觀察力矩限制器是否有復位、死機等現象從而確定產生問題的部位。

空氣放電的測試方法分為對水平耦合板放電和垂直耦合板放電兩種方式。水平耦合板放電：將靜電槍尖頭離鋁制或不銹鋼測試臺板約 0.5-1cm，圍著被測力矩限制器對著測試臺板進行放電，觀察力矩限制器是否有復位等異?，F象。垂直耦合板放電：力矩限制器距離垂直耦合板 10cm（標準），將靜電槍尖頂在板垂直邊中點不斷進行放電，觀察力矩限制器是否有復位等異?，F象。

2 電子產品ESD防護設計原則

2.1 靜電放電能量進入電子產品后的耦合模式

（1）差模

考慮兩個系統的設備由電纜連接，如圖2所示。兩根電纜中電流流向相反。外部輻射場可以耦合進入這樣一個系統，并感應出差模干擾。同樣的，差模電流自身也能產生自己的輻射場。

圖2 共模與差模

（2）共模

兩根電纜中的電流以同一個方向流動即產生了共模電流，共模電流一般情況下都不是信號的電流。共模電流可能是外部場耦合入電流環所引起的，這些電流環可以是電纜、地平面和各種通過設備連接到地的阻抗所組成。另一種情況是共模電流由參考地平面與電纜連接處的噪聲電壓所產生。注意連接在導線上或設備結構上的寄生電容和電感也是構成共模耦合電路的一部分，這些寄生參數對共模電流的幅度和頻譜分布影響很大。這些參數并不出現在任何原理圖和PCB中，所以很難控制。

（3）共模與差模的相互轉換

盡管共模電流一般與數據信號電流無關，但是有時數據信號電流也能轉換成共模電流。當信號電流來回傳輸所經過的導體阻抗不一樣時（例如外部的地），轉換就會發生。這些阻抗在RF射頻時由寄生電容、寄生電感所決定，而這些寄生參數又由PCB設計者所設計的電路板所決定。

如圖3所示，差模電流DMI在負載電阻LR兩端產生所需要的有用電壓。而共模電流CMI不流過負載電阻，而流經阻抗AZ、BZ返回到外部的地。AZ、BZ不是設備的元件，而是寄生參數如寄生電容、電感。當ZA=ZB時，ICM不在負載電阻RL上產生電壓。但是當ZA≠ZB時，ICM將通過ZA、ZB在RL上產生一個電壓差Vload(CM)，并且正比于ZA與BZ的差值，如式1。

圖3 共模與差模轉換

正是這個原因，攜帶高頻信號并對RF干擾敏感的電路最好設計成每個導體的寄生阻抗越相同越好。當然也可以加共模扼流圈來減小CMI的幅度。

2.2 有效的ESD抗擾度設計方法

（1）防止或盡量減少瞬態電流的進入，一般從三個方面進行考慮：有效的外殼設計、屏蔽電纜設計、為非屏蔽外部電纜鐘的所有導體部門提供額外的保護措施。

（2）加強敏感電路的防護，例如復位電路、中斷電路、時鐘電路、重要的輸入輸出電路。

（3）軟件層面的防護措施，編寫能夠檢測并在盡可能糾正以下錯誤的軟件：程序的流程、輸入輸出的數據、存儲器數據。

3 硬件平臺設計

為了使開發出來的產品盡可能的具有通用性，降低產品開發以及生產的成本，整個硬件采用模塊化的設計，模塊框圖如圖4所示。

圖4 硬件模塊框圖

ADC信號采集部分：主要由油壓傳感器、角度傳感器組成，采集到的為模擬電信號，經過A/D轉換為數字信號。數據處理部分：其核心LPC2478微處理器，根據起重機的工作狀況和結構參數，計算并顯示出起重機的力矩、仰角及一變和二變油缸壓力等參數，判斷是否有報警及制動保護信號，并做出相應處理。KEYPAD參數輸入及LCD顯示部分：由鍵盤及液晶顯示器組成，通過鍵盤可以方便地對起重機的各項結構參數、報警參數等進行設置。報警制動部分：當起重機處于危險操作狀況時，報警制動保護部分會為操作員提供聲光預警。當情況緊急時，制動保護部分會強制停止危險操作，以保證起重機的安全。

力矩限制器通過CAN接口實現與車載控制器的數據通訊。本力矩限制器接口采用CanOpen協議，圍繞CanOpen歐洲推出了相關的工業現場總線標準EN-50325-4。本力矩限制器配套的汽車起重機所使用的EPEC、力士樂、TTCONTROL、intercontrol等公司的控制器都帶CanOpen接口，因此力矩限制器和具有CanOpen協議的控制器互連，系統接口設計只需遵照CanOpen協議讀取對應地址的數值就能取得控制器的控制信息，無需改動控制器程序。

4 力矩限制器靜電放電測試報告與分析

根據表2靜電放電試驗報告可以發現兩個問題，即對LCD放電出現復位現象、對CAN總線接口端子放電出現顯示吊重紊亂現象。

表2 靜電放電測試報告

（1）對LCD放電出現復位

現象：本款力矩限制器上外殼單元的LCD顯示部分采用排線與PCB相連，當對LCD進行15KV空氣放電時，有時會導致系統重啟，實驗過程中嘗試將LCD與PCB之間的距離加大依然沒有作用。圖5中右邊標記處是PCB上的LCD排線接口。

原因分析：打開力矩限制器上盒發現由于排線太長，且主芯片和LCD接口距離較近，所以排線直接搭在了圖5中所示的PCB板主芯片上。所以很明顯的可以看出，當靜電放電時，由于主要諧波分量達到了500MHz，電磁場通過排線耦合進入主芯片中，即在排線和主芯片之間產生一個寄生電容C。靜電電流由排線進入經過寄生電容C從主芯片接地平面流出，由于接地平面由一定的阻抗，所以靜電電流在接地平面上產生一個電壓降，這個電壓波動將導致主芯片復位重啟。

圖5 PCB主芯片和LCD連接

解決方法：通過在PCB板上增加一個EVA絕緣墊片，將排線與PCB板的距離拉大，從而使寄生電容C減小，修改后靜電放電試驗通過。

（2）對CAN總線接口端子放電出現走脈沖

現象：力矩限制器的CAN總線接口位于PCB端子板邊緣部分，采用航空插頭與外部通信。進行8KV接觸放電時，發現力矩限制器與終端設備的通信數據發生混亂。

原因分析：如圖6所示（左圖為航空插頭端子PCB板，右圖為主板PCB板），力矩限制器內部通過主板經排線連接到端子板中的航空插頭。由于排線的存在，導致CANH和CANL數據線會很長，當靜電電弧產生一個500MHz的強磁場時，這些長導線就相當于一個電偶極子天線接收這個強磁場的輻射，從而導致數據線數據的混亂。

解決方法：在長信號導線上并聯旁路電容就能很好濾除高頻能量的影響。注意要將旁路電容盡可能的靠近航空插頭處、排線接口處，旁路電容將高頻能量導入PCB板的地中，PCB板地與金屬外殼地相接，從而防止干擾串入主板影響系統的工作。

5 結論

本文通過對力矩限制器實際產品進行靜電放電測試，找出容易出問題的電路部分。結合電磁兼容理論知識，從實際電路和結構的布局、布線出發進行分析，使得產品經過改進符合靜電放電測試要求。