電力自動(dòng)抄表系統PCB靜電防護設計

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

1．引言

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

2．靜電放電影響設備的途徑 

靜電放電主要通過(guò)輻射干擾和傳導干擾的形式危害設備。靜電對設備上接口放電時(shí)，形成大的傳導電流進(jìn)入接口線(xiàn)路，傳導電流產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間傳播，對設備中的器件產(chǎn)生電磁干擾。靜電放電電流的數學(xué)表達式如下

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(chǎng)表示為：


其中E為電場(chǎng)，H為磁場(chǎng)，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，dI為電流偶極子的長(cháng)度，D為觀(guān)測點(diǎn)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(chǎng)的輻射強度，電流的變化率影響遠場(chǎng)的輻射強度。

3．接口電路的靜電放電防護設計

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(chǎng)采取相應措施。靜電放電產(chǎn)生的傳導電流，一般是通過(guò)設備的接線(xiàn)端子影響內部電路。電力自動(dòng)抄表設備和外部設備的電路主要是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設計時(shí)要保證隔離地有足夠大的敷銅區或接到金屬外殼，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)，對電路的影響是多種多樣的，相同的原理圖，不同的布線(xiàn)方式也會(huì )得到不同的結果。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設計對接口電路也要做精心的考慮，圖2是自動(dòng)抄表系統一塊單板的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。對輸入端子施加接觸式8kV靜電時(shí)，單板有復位現象。

經(jīng)過(guò)分析，認為主要是A、B至C、D間走線(xiàn)過(guò)長(cháng)，靜電放電電流產(chǎn)生較強的輻射場(chǎng)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(guò)重新布局后能通過(guò)8kV接觸式靜電試驗。因此圖1中的TVS管在PCB設計時(shí)應盡量靠近接線(xiàn)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．結束語(yǔ)

電力系統自動(dòng)抄系統設備對EMC要求嚴格，本文從實(shí)際的工程實(shí)例出發(fā)，分析了PCB設計階段中針對靜電放電產(chǎn)生的傳導電流和輻射電磁場(chǎng)所采取相應的措施。