電力自動抄表系統(tǒng)PCB靜電防護設(shè)計

這里簡要介紹居民電表集中抄表系統(tǒng)接口電路的PCB，在設(shè)計階段的電防護問題，分析了PCB板靜電防護的基本原理。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的實現(xiàn)。

1．引言

電力系統(tǒng)的計量設(shè)備對電磁兼容(EMC)有嚴格的要求，為保證設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作，相關(guān)部門對計量設(shè)備進行電磁兼容性強制檢測并要求通過。產(chǎn)品進行靜電防護設(shè)計時，需要從設(shè)計初期進行考慮，從原理圖設(shè)計、元器件選擇、PCB設(shè)計時就進行靜電防護設(shè)計。本文將分析靜電對PCB上器件的影響，以及在實際PCB設(shè)計工作中應(yīng)對的方法。

2．靜電放電影響設(shè)備的途徑 

靜電放電主要通過輻射干擾和傳導干擾的形式危害設(shè)備。靜電對設(shè)備上接口放電時，形成大的傳導電流進入接口線路，傳導電流產(chǎn)生電場和磁場在空間傳播，對設(shè)備中的器件產(chǎn)生電磁干擾。靜電放電電流的數(shù)學表達式如下

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

使用偶極子模型：靜電放電產(chǎn)生的電磁場表示為：


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

式(2)(3)表明，電流峰值影響近場的輻射強度，電流的變化率影響遠場的輻射強度。

3．接口電路的靜電放電防護設(shè)計

PCB靜電防護主要針對靜電放電產(chǎn)生的傳導電流和輻射場采取相應(yīng)措施。靜電放電產(chǎn)生的傳導電流，一般是通過設(shè)備的接線端子影響內(nèi)部電路。電力自動抄表設(shè)備和外部設(shè)備的電路主要是RS485／RS232等接口。對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)計時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D1、D2得到泄放。

靜電放電產(chǎn)生的輻射場，對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得到不同的結(jié)果。對元器件的選取要充分考慮到抗干擾能力，恰當選取去耦電容，對電源或信號可避免形成大的回路等等。而PCB設(shè)計對接口電路也要做精心的考慮，圖2是自動抄表系統(tǒng)一塊單板的PCB，其中A、B是外部接口兩個輸入端子。B經(jīng)過電感C接到地，A用TVS管加以保護。對輸入端子施加接觸式8kV靜電時，單板有復位現(xiàn)象。

經(jīng)過分析，認為主要是A、B至C、D間走線過長，靜電放電電流產(chǎn)生較強的輻射場影響電路運行。重新安排元器件布局如圖3所示。

靜電試驗表明，經(jīng)過重新布局后能通過8kV接觸式靜電試驗。因此圖1中的TVS管在PCB設(shè)計時應(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的影響。

4．結(jié)束語

電力系統(tǒng)自動抄系統(tǒng)設(shè)備對EMC要求嚴格，本文從實際的工程實例出發(fā)，分析了PCB設(shè)計階段中針對靜電放電產(chǎn)生的傳導電流和輻射電磁場所采取相應(yīng)的措施。