電力自動(dòng)抄表系統(tǒng)PCB靜電防護(hù)設(shè)計(jì)

這里簡(jiǎn)要介紹居民電表集中抄表系統(tǒng)接口電路的PCB，在設(shè)計(jì)階段的電防護(hù)問(wèn)題，分析了PCB板靜電防護(hù)的基本原理。在此基礎(chǔ)上給出集中抄表系統(tǒng)接口電路PCB的布局及單板之間通訊接口靜電防護(hù)的實(shí)現(xiàn)。

1．引言

電力系統(tǒng)的計(jì)量設(shè)備對(duì)電磁兼容(EMC)有嚴(yán)格的要求，為保證設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作，相關(guān)部門(mén)對(duì)計(jì)量設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性強(qiáng)制檢測(cè)并要求通過(guò)。產(chǎn)品進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從設(shè)計(jì)初期進(jìn)行考慮，從原理圖設(shè)計(jì)、元器件選擇、PCB設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)。本文將分析靜電對(duì)PCB上器件的影響，以及在實(shí)際PCB設(shè)計(jì)工作中應(yīng)對(duì)的方法。

2．靜電放電影響設(shè)備的途徑 

靜電放電主要通過(guò)輻射干擾和傳導(dǎo)干擾的形式危害設(shè)備。靜電對(duì)設(shè)備上接口放電時(shí)，形成大的傳導(dǎo)電流進(jìn)入接口線路，傳導(dǎo)電流產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間傳播，對(duì)設(shè)備中的器件產(chǎn)生電磁干擾。靜電放電電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

式中t為放電的時(shí)間，i為電流幅度，其電流峰值在幾十納秒內(nèi)可達(dá)到幾十安培。

使用偶極子模型：靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)表示為：


其中E為電場(chǎng)，H為磁場(chǎng)，Ur、Ux、Uo為柱坐標(biāo)系單位矢量，p為電荷分布，c為光速，E為自由空間介電常數(shù)，dI為電流偶極子的長(zhǎng)度，D為觀測(cè)點(diǎn)和偶極子距離，x為偶極子和純導(dǎo)電平面垂直距離。

式(2)(3)表明，電流峰值影響近場(chǎng)的輻射強(qiáng)度，電流的變化率影響遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射強(qiáng)度。

3．接口電路的靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)

PCB靜電防護(hù)主要針對(duì)靜電放電產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流和輻射場(chǎng)采取相應(yīng)措施。靜電放電產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流，一般是通過(guò)設(shè)備的接線端子影響內(nèi)部電路。電力自動(dòng)抄表設(shè)備和外部設(shè)備的電路主要是RS485／RS232等接口。對(duì)485接口，主要采取光電隔離器將接口電路和內(nèi)部CPU電路隔離。瞬態(tài)二極管可以防止靜電放電瞬間過(guò)大的電流將光電隔離芯片損壞，如圖1所示。

圖1中，瞬態(tài)二極管D1、D2是接到隔離的地，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要保證隔離地有足夠大的敷銅區(qū)或接到金屬外殼，靜電才能通過(guò)D1、D2得到泄放。

靜電放電產(chǎn)生的輻射場(chǎng)，對(duì)電路的影響是多種多樣的，相同的原理圖，不同的布線方式也會(huì)得到不同的結(jié)果。對(duì)元器件的選取要充分考慮到抗干擾能力，恰當(dāng)選取去耦電容，對(duì)電源或信號(hào)可避免形成大的回路等等。而PCB設(shè)計(jì)對(duì)接口電路也要做精心的考慮，圖2是自動(dòng)抄表系統(tǒng)一塊單板的PCB，其中A、B是外部接口兩個(gè)輸入端子。B經(jīng)過(guò)電感C接到地，A用TVS管加以保護(hù)。對(duì)輸入端子施加接觸式8kV靜電時(shí)，單板有復(fù)位現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為主要是A、B至C、D間走線過(guò)長(zhǎng)，靜電放電電流產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射場(chǎng)影響電路運(yùn)行。重新安排元器件布局如圖3所示。

靜電試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)重新布局后能通過(guò)8kV接觸式靜電試驗(yàn)。因此圖1中的TVS管在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量靠近接線端子，其中靜電泄放的路徑盡量短，這可減少輻射電磁場(chǎng)的影響。

4．結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)自動(dòng)抄系統(tǒng)設(shè)備對(duì)EMC要求嚴(yán)格，本文從實(shí)際的工程實(shí)例出發(fā)，分析了PCB設(shè)計(jì)階段中針對(duì)靜電放電產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流和輻射電磁場(chǎng)所采取相應(yīng)的措施。