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塑料外壳连接器与金属外壳连接器对ESD的影响

2019-06-12 09:19
可靠性杂坛
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一、现象描述

对某一采用金属外壳的多媒体产品进行ESD测试过程中,对音频接口进行2 kV的静电测试时,很容易使监视器上出现马赛克和图像凝固现象,测试失败。

二、原因分析

经过观察发现,音频接口的外壳是塑胶壳,而音频信号线的接头又靠外,所以静电干扰信号可以通过音频信号线直接耦合到PCB上,进而使设备运行异常。静电是一种高压能量的泄放,静电放电测试时,静电干扰信号有就近相对低电位导体泄放的特点,使用塑胶外壳的音频头时,音频信号线是离静电放电枪头最近的导体,静电干扰信号只有就近泄放到音频信号线上,如此高电压的静电信号通过信号线传输到设备内部,必然造成设备的运行异常或损坏,如图1所示。

图1 静电失效原理

如果静电放电点不发生在信号线上,那估计情况会好很多。为了使设备能在静电放电测试中顺利通过,最好的办法就是让静电放电能量从良好的接地路径放走,而使设备内部的任何电路、器件和信号不受静电能量的直接干扰。

对于本设备来讲,要达到此目的,就要改变在音频接口处放电时静电放电能量的泄放路径。采用金属外壳的音频接口连接器并将连接器外壳接地,可以很好地改变静电放电路径,如图2所示。

图2 采用金属外壳连接器作为良好的抗静电放电干扰的设计,有必要做一些补充说明。

在图3所示的电路中,当静电放电点在设备的金属外壳上时,由于金属外壳本身存在不良搭接及孔缝,当静电放电电流流经不良搭接及孔缝时,必然产生压降ΔU,此压降对接地的电路产生直接的影响,即使是不接地的内部电路(即没有图3中的粗线),也会因为容性耦合对电路产生影响。同时,如果孔缝尺寸与静电放电信号频率的波长可以比拟,也会成为缝隙天线而发射静电放电电流的电磁能量。

图3 静电电流引起的辐射

因此,作为静电放电的泄放路径来说,必须保持低阻抗。否则,可能有电弧通过电子线路形成的更低阻抗的通路。高频时由于趋肤效应,阻抗会有所增加,可以增加表面积来缓解这一问题。什么是EMC中的低阻抗呢?实践证明,具有长宽比小于3的完整(没有缝隙、没有开孔)金属平面可以很好地满足静电放电泄放。

三、处理措施利用静电放电干扰信号

就近泄放的特点,改变静电泄放路径,将原塑胶外壳的音频接口连接器,改成带金属外壳的音频连接器,并使金属外壳和机壳保持良好的电连续性,使静电放电干扰从音频连接器外壳——机壳流向大地,从而保护了音频接口中的信号。经过测试,采用金属外壳音频连接器的该多媒体设备抗静电放电干扰能力达空气放电± 8 kV、接触放电± 6 kV,本案例所述问题得到解决。

四、思考与启示

(1)对于设备的信号连接器接口,连接器件的选择及结构的设计要避免静电放电干扰信号直接耦合到信号线中。

(2)在连接器的选用中,如果塑胶外壳不能达到所要求的空气放电绝缘距离的要求,就必须采用带有金属外壳的连接器,并在结构设计时,使该连接器外壳有良好的接地特性。

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