空气放电点该如何处理？【EMC学习】

【现象描述】

某带有人机接口的工业用产品，采用金属外壳，在人机接口面板处开有小孔，用来操作拨码开关，通过操作拨码开关，设定产品的工作状态。该产品做 ESD试验时发现存在以下两个问题：

(1 ) 在拨码开关处进行± 8 kV 空气放电时，在拨码开关处有弧光放电现象。

( 2) 在进行多次± 8 k V 的空气放电后， 拨码开关所对应处周边电路中的器件损坏。

【原因分析】

静电放电是一种高压能量的泄放。静电放电测试时，静电放电干扰信号有就近相对低电位导体泄放的特点。对于空气放电来说，测试操作时，枪头快速接近被测试点，直到放电为止， 如果该产品的结构设计表现出， 当执行空气放电操作时， 静电放电枪头离拨码开关中的电 路的距离 H2 比静电放电枪头离金属外壳的距离 H1更近， 而且 H2 比 H1更早达到空气放电的距离，那么静电放电将会在静电放电枪头与拨码开关中的电路之间产生。见图1。

进一步分析该产品面板处的结构设计特点及内部电路，发现：

(1) 拨码开关离金属面板很近， 即当执行空气放电操作时，静电放电枪头离拨码开关中金属部分（电路）的距离 H 2 比静电放电枪头离金属外壳的距离 H1更近， 而且 H2 比 H 1 更早达到8 kV 电压空气放电击穿的空气距离。导致空气放电在静电放电枪头与拨码开关之间发生。

(2) 电路设计不是很合理，没有瞬态抑制器件或适当的静电干扰抑制电路对拨码开关中的信号进行保护，最终导致与拨码开关直接信号相连的芯片损坏。瞬态抑制器，如TVS, 可以抑制瞬态的过电压。保护电路， 如 RC 滤波电路，可以滤除静电放电所产生的干扰，从而使后一级电路受到保护。

【处理措施】

(1) 利用静电放电干扰信号就近泄放的特点 ，改变金属面板的开孔面积，同时适当增大拨码开关与面板之间的距离，使在静电放电操作时，静电放电枪头与拨码开关的距离H2 始终大于静电放电枪头与金属面板的距离H1, 放电不会发生在静电放电枪头与拨码开关之间。

(2) 拨码开关中受到静电放电袭击的信号线上加瞬态抑制器件或抑制电路，抑制静电放电产生的高电压和过电流。

本产品中由于受开发时间的限制，最终采用的是在拨码开关的电路上增加保护电路的方式， 拨码开关与内部电路之间的ESD 保护电路原理如图2所示。

电路中电容的取值在1000pF 到 0.01 µF之间，用来滤除静电放电时产生的高电压； 串接一个 50Ω左右的电阻R (ESD 要求较高时也可用TVS 代替图中的电容，推荐的 TVS 如PSOT05)用来抑制静电放电时产生的过电流。测试证明此电路可以使该产品通过空气放电

【思考与启示】

(1) 类似产品设计时，要考虑如图1中所提到的H1、H2 之间的关系，应使H2 始终大于 H1, 或达到放电距离的时候H2 大于 H1。

(2) 易受静电放电干扰的电路有必要增加瞬态抑制电路或滤波电路。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》