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连接器金属外壳搭接不良对静电放电抗扰度的影响

更新时间:2023-10-17      点击次数:301

一、现象描述

某产品在进行静电放电抗扰度测试时,当对产品中某PCB的DB连接器外壳(如下图所示)进行静电放电(-4KV 接触放电)时,出现系统复位的现象。

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后来检查该DB连接器,发现该连接器的外壳没有和金属外壳形成良好的搭接,用导电胶将DB连接器与外壳良好搭接后,再进行测试(-6KV接触放电),工作正常,系统不再复位。

静电测试的示意图如下图所示,想要详细了解静电测试的实质的话可以参考我之前的文章《EMC 测试实质之ESD抗扰度》:

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究竟是什么原因导致的呢?想要分析静电带来的问题时可以从下面几方面来考虑:
  • 首先判断测试位置是连接器还是缝隙,连接器是金属的还是其它的材料的,产品外壳是金属还是其它材料。

  • 如果是金属材料,分析产品是否接大地(也称为PE),如果是浮地系统,则看是否接了功能地。

  • 查看金属连接器或者金属按键等是否和金属外壳搭接良好,金属外壳是否接大地。

总之,静电问题,一般都是接地不良或者金属搭接不良导致的。

二、原因分析

静电放电(如下图所示)是一种瞬态能量高,宽频谱的一种电磁骚扰 ,它主要通过以下两种途径来干扰EUT:

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  • 直接能量,瞬态的大电流导致内部电路损坏(如IC芯片的损坏,)或者电路出现错误(出现闩锁效应)。

  • 空间耦合,由上图可知,ESD的前沿时间很短, 约 0.7-1ns, 其频谱范围可以达到数百MHz,所以稍微长一点的线缆,PCB中的微带线或带状线都可能形成有效的耦合。

如前面所述,在测试中发现DB连接器的金属外壳和产品外壳之间有很明显的缝隙,从电路的角度来看,这个缝隙就等效为一个阻抗,在DB外壳上的静电放电电流(如图中虚线所示)的作用下,就会产生较高的压降ΔU

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我们知道,在图中存在分布电容的地方有如下几个地方:

  • DB连接器外壳及机壳与内部电路的地平面

  • DB连接器外壳及机壳与信号线之间

  • 其中DB连接器外壳及机壳与PCB中地平面之间的分布电容最大,如图中Cp所示,该分布电容在静电放电高频干扰的情况下影响也最大。

在 ΔU 存在的情况下,必然导致一部分静电放电电流经分布电容Cp流向地平面, 最后流向大地,如图中虚线 A 所示。

实际上,PCB中的地平面也并不是理想的地面,其并不完整(完整的地平面阻抗为3mΩ),存在一定的阻抗,因为一般地平面上一定有过孔,过孔的缝隙会导致阻抗不连续。

当干扰电流流经工作地平面时,由于阻抗的存在, 就会出现压降 ΔU1 , 而这个 ΔU1就是造成电路混乱的元凶。

另外,ΔU也是常常是引起辐射发射的超标的原因之一。

通过以上分析,我们可以认为,如果阻抗不连续,干扰信号就很难较快地泄放,这样就会通过分布电容耦合到内部电路,从而出现损坏或者内部电路混乱。

如果搭接良好,静电就会很快泄放到外壳上并导入到大地上(前提是外壳也接好大地)。

另外搭接良好,会使外壳具有更好的屏蔽效果,在静电泄放过程中产生的电磁场就会被屏蔽在外壳外部, 从而保证了内部电路的稳定。

三、处理措施

为了保证DB连接器金属外壳与产品外壳良好搭接,可以将DB连接器通过螺钉固定在外壳上面,使 DB连接器与金属面板紧密连接。

从而保持了DB连接器外壳和金属外壳的电连续性。这样不仅能提高整机的屏蔽效能,还能使静电骚扰电流通过金属外壳很快地泄放掉, 问题得到了解决。

四、思考和启示

经过上面的分析,我们可以得到如下启示:

  1. 防止静电干扰直接耦合进PCB的一个有效方法是将静电干扰信号通过导体直接接到大地上。

  2. 要保持静电放电点的阻抗连续。

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