CN102539937A - 用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台 - Google Patents

Abstract

一种用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台，包括：试验桌、水平耦合板，放置所述无接地设备的第一绝缘衬垫层，第二绝缘衬垫层位于此水平耦合板上并位于第一绝缘衬垫层一侧，一垂直耦合板固定于此第二绝缘衬垫层表面；静电放电发生器；所述水平耦合板通过串联有阻抗电阻的导线连接到接地参考平面；四个侧面静电膜分别位于所述非金属外壳内表面的四个侧面上，一底面静电膜位于所述非金属外壳内表面的底面上，此底面静电膜与侧面静电膜电连接且底面静电膜的面积大于侧面静电膜的面积。本发明静电检测平台解决非金属外壳无接地系统的静电放电难的技术问题，提供了一种快速有效的泄流途径，从而消除静电放电的对设备正常工作的干扰。

Description

用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台

技术领域

本发明属于电磁兼容抗干扰技术领域，尤其涉及一种用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台。 

背景技术

带电的绝缘体本身不会对电子设备产生静电危害，然而静电放电将对电子设备的正常工作产生非常严重的威胁。静电产生过程中的正电荷或负电荷逐渐累积，从而与周围环境产生电位差，电荷经由放电路径而产生在不同电位之间的转移即为静电放电，简称ESD。静电放电的产生需要有三个条件： 

1、静电电荷在绝缘体上的积累； 

2、静电电荷通过接触或者感应向导体转移；

3、充满静电电荷的导体靠近金属物体产生静电放电；

静电放电的能量可以通过两种方式耦合到电子电路，一种为传导耦合，即静电放电电流直接流经敏感电路威胁其正常工作；另一种为辐射耦合，即静电放电能量通过空间电磁场耦合产生高压、大电流威胁电子电路的正常工作，空间电磁场耦合又包括电容耦合和感应耦合。

静电放电对电力电子系统的危害主要分为三种类型： 

1、硬件危害；

2、软件危害；

3、瞬时干扰；

其中硬件危害将直接损坏系统硬件，软件危害影响系统的软件运行但不造成物理损坏，而瞬时干扰不会产生错误，但是现象很明显。

电力电子设备根据外壳的导电性分为金属外壳和非金属绝缘体外壳，其中非金属外壳相比金属外壳特点的电力电子设备更容易遭受静电放电损害。具有金属外壳的设备有一个非常显著的优点，它的金属外壳可以作为ESD电流的一个泄流路径，但同时它也促进了静电放电；对于非金属绝缘体外壳设备，它的优点是阻止了静电放电的发生，但是除非做到绝对的绝缘，否则通过接缝和隙缝静电放电就可能发生。例如针对如图1所示的某型电力集中器，它的外壳为塑料材料，属于非金属绝缘体，当采用水平耦合板或者垂直耦合板进行放电试验时，电力集中器的塑料外壳会聚集大量同极性的放电电荷，属于金属导体的电路板支架连接着外壳和集中器内部的PCB电路板，聚集在外壳上的大量静电电荷通过该支架和空间电磁场耦合进入电子电路，产生静电放电，从而严重影响了电路中敏感的电力电子器件的正常工作。这是具有非金属绝缘体外壳的电力电子设备的一种常见静电放电模型。 

虽然静电放电的防护问题在系统设计期间就应该被充分考虑，而不是当产品被检测到静电问题时才增加静电防护措施，但是系统设计阶段不可能将所有的静电问题都考虑清楚，无法避免成品存在静电问题。针对已完成产品的ESD问题，为避免在电路上施加具体措施影响系统的工作状态，一般选择在外围采取防护措施，四种常用的主要抑制方法有： 

1、静电泄漏与耗散；

2、静电中和；

 3、静电屏蔽；

4、环境增湿；

根据计量检测标准，检测环境是标准的检测环境，具有标准的空气湿度，故方法4只适合实际运用中的静电抑制，而且可靠性和稳定性较低；如果采用静电中和方法则需要专用的静电消除器，而且静电消除器属于辅助设备，不宜嵌入电子设备内部以解决实际设备的静电放电问题。故常采用1、3两种方法。

静电放电测试是部分电力电子产品的强制测试项目，根据静电放电抗扰度试验国家标准GB17626.2-2006规定，静电放电的测试方法主要分为以下四种：  

1、接触放电方法（contact discharge method）：实验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种实验方法。

2、空气放电方法（air discharge method）：将实验发生器的充电电极靠近设备并由火花对设备激励放电的一种实验方法。 

3、直接放电（direct application）：直接对受试设备实施放电。 

4、间接放电（indirect application）：对受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人员对受试设备附近的物体的放电。 

发明内容

本发明目的是提供一种用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台，该静电检测平台解决非金属外壳无接地系统的静电放电难的技术问题，提供了一种快速有效的泄流途径，从而消除静电放电的对设备正常工作的干扰。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台，包括： 

试验桌、作为基地参考平面的水平耦合板位于此试验桌上表面，一用于放置所述无接地设备的第一绝缘衬垫层位于此水平耦合板中央区域，此第一绝缘衬垫层的面积小于水平耦合板面积，第二绝缘衬垫层位于此水平耦合板上并位于第一绝缘衬垫层一侧，一垂直耦合板固定于此第二绝缘衬垫层表面；

静电放电发生器，此静电放电发生器的电极端用于与所述无接地设备接触，静电放电发生器另一端通过导线连接到第一绝缘衬垫层，静电放电发生器的电极端经导线连接到接地参考平面；

所述水平耦合板通过串联有阻抗电阻的导线连接到接地参考平面；

四个侧面静电膜分别位于所述非金属外壳内表面的四个侧面上，一底面静电膜位于所述非金属外壳内表面的底面上，此底面静电膜与侧面静电膜电连接且底面静电膜的面积大于侧面静电膜的面积。

上述技术方案进一步改进技术方案如下： 

1. 上述方案中，所述接地参考平面为一金属薄板，此金属薄板四周均伸出水平耦合板外0.5m。

2. 上述方案中，所述第一阻抗电阻由两个阻值为470kΩ的电阻组成，所述第二阻抗电阻由两个阻值为470kΩ的电阻组成。 

3. 上述方案中，所述侧面静电膜厚度为0.5mm；所述底面静电膜厚度为0.5mm。 

4. 上述方案中，所述侧面静电膜形状均为矩形并位于侧面中心位置，所述底面静电膜形状均为矩形并位于底面中心位置。 

5. 上述方案中，所述侧面静电膜长度为非金属外壳侧面长度的1/3，所述侧面静电膜宽度为非金属外壳侧面宽度的1/3；所述底面静电膜长度为非金属外壳底面长度的1/3，所述底面静电膜宽度为非金属外壳底面宽度的1/3。 

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点： 

本发明用于非金属外壳无接地设备的静电检测平台，针对非金属外壳无接地系统，能提供静电放电需要快速有效且静电放电阻力最小的泄流途径，克服了现有非金属外壳无接地设备没有快速有效的泄流途径的缺陷，有效解决了非金属外壳无接地系统的静电放电防护问题，使得因而静电放电能量最终会通过该电容进入大地，最后被消耗掉而不会影响设备的正常工作；其次，第一，本发明提出了一种“ESD地”静电放电防护装置，可以较好地解决非金属外壳无接地系统的静电放电防护问题，本发明所采用的材料为0.5mm厚度的铜质静电膜，价格便宜，即以非常低的成本解决了设备的静电放电问题，具有较高的经济效益，本发明只在设备内部的地面和侧面采取措施，并为对设备的PCB板进行任何整个处理，故不会影响设备的工作性能，对于设备没有负面影响。

附图说明

图1是本发明静电检测平台结构示意图； 

图2是本发明非金属外壳无接地设备中静电膜位置示意图；

图3是本发明静电放电泄流原理图。

以上附图中：1、试验桌；2、水平耦合板；3、第一绝缘衬垫层；4、第二绝缘衬垫层；5、垂直耦合板；6、静电放电发生器；7、无接地设备接触；8、接地参考平面；9、阻抗电阻；10、侧面静电膜；11、非金属外壳；12、底面静电膜；13、电极端。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 

实施例：一种用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台，包括：

试验桌1、作为基地参考平面的水平耦合板2位于此试验桌1上表面，一用于放置所述无接地设备的第一绝缘衬垫层3位于此水平耦合板2中央区域，此第一绝缘衬垫层3的面积小于水平耦合板2面积，第二绝缘衬垫层4位于此水平耦合板2上并位于第一绝缘衬垫层3一侧，一垂直耦合板5固定于此第二绝缘衬垫层4表面；

静电放电发生器6，此静电放电发生器6的电极端用于与所述无接地设备7接触，静电放电发生器6另一端通过导线连接到第一绝缘衬垫层3，静电放电发生器3的电极端经导线连接到接地参考平面8；

所述水平耦合板2通过串联有阻抗电阻9的导线连接到接地参考平面8；

四个侧面静电膜10分别位于所述非金属外壳11内表面的四个侧面上，一底面静电膜12位于所述非金属外壳11内表面的底面上，此底面静电膜12与侧面静电膜10电连接且底面静电膜12的面积大于侧面静电膜10的面积。

上述侧面静电膜10形状均为矩形并位于侧面中心位置，所述底面静电膜12形状均为矩形并位于底面中心位置。 

上述侧面静电膜10长度为非金属外壳11侧面长度的1/3，侧面静电膜10宽度为非金属外壳11侧面宽度的1/3；所述底面静电膜12长度为非金属外壳11底面长度的1/3，所述底面静电膜12宽度为非金属外壳11底面宽度的1/3。 

上述侧面静电膜10厚度为0.5mm；所述底面静电膜12厚度为0.5mm。 

上述接地参考平面8为一金属薄板，此金属薄板四周均伸出水平耦合板2外0.5m。 

上述阻抗电阻9由两个阻值为470kΩ的电阻组成。 

本实施例上述用于具有非金属外壳无接地设备的静电检测平台具体解释如下。 

静电放电抗扰度对于某些产品是一个强制性检测项目，生产企业产品如若不能通过检测，将对其产量和销量造成很大损失，从而直接造成企业的经济亏损。另一方面，存在静电放电危害的设备很容易影响到人们的日常生活，造成不必要的损失。本发明专利是解决电力电子设备静电放电问题的方法之一，该方法可以很好地解决为金属外壳的静电放电问题，提高设备的抗干扰性能。 

本实施例的结构原理图如图2所示，主要采用金属铜材料静电膜创造人为静电放电地（即ESD地），ESD地分别设置与设备内壳的侧部和底部。 

1. 侧面ESD地设计方案 

侧面ESD地的设置主要是增加静电放电电流的流通途径，该ESD地与设备内部的PCB板地线相连接，经过该ESD地的设置及时疏导PCB板上由于耦合或者直接放电产生的电荷，降低静电放电对PCB板上敏感工作模块的干扰或损坏。待静电电荷被疏导至ESD地上时，一方面通过该ESD地与实地之间的耦合电容泄漏，另一方面通过该ESD地与底部ESD地的连接转移到底部ESD地，通过底部ESD地与实地之间的耦合电容泄漏。

该ESD地采用0.5mm厚度的金属铜材料静电膜，采用矩形形状，最终采用固态凝胶固定与设备侧面的中心位置。侧面ESD地具体尺寸设计： 

长：按照设备侧面长的三分之一大小设定；

宽：按照设备侧面高的三分之一大小设定；

厚度：0.5mm；

位置：设置于侧面的中心位置；

2、底部ESD地设计方案

底部ESD较侧面ESD的尺寸更大，它是设备的静电放电能量耗散的主要途径。该ESD的设置首先是加快静电放电能量的耗散，其与侧面的ESD相互连接，能够较好地疏导PCB电路中和侧面ESD地上的静电放电电荷。最终除了侧面ESD地泄漏掉的静电能量以外的所有静电放电能量，通过底部ESD地与实地之间的较大的耦合电容耗散掉，最终消除静电放电的对设备正常工作的干扰。

该ESD地同样采用0.5mm厚度的金属铜材料静电膜，采用矩形形状，最终采用固态凝胶固定与设备的底部的中心位置。底部ESD地具体尺寸设计： 

长：按照设备侧面长的二分之一大小设定； 

宽：按照设备侧面高的二分之一大小设定； 

厚度：0.5mm； 

位置：设置于侧面的中心位置； 

本实施例针对非金属外壳无接地系统。静电放电需要快速有效的泄流途径，而无接地系统存在的问题就是没有这种快速有效的泄流途径，因此需要为无接地系统创造一个供静电放电使用的特殊地，简称为ESD地。所以，在设备内部侧边中心位置固定一个尺寸为a/3*a/3的静电膜，底部中心位置固定一个a/2*a/2的静电膜，并且将侧边和底部的静电膜用粗导线连接，通过该方法人为地为该电力集中器创造了一个ESD地；当进行静电放电试验时，静电外壳会产生大量的同极性电荷，由于ESD地的存在，外壳上聚集的大量电荷向属于导体的静电膜(即ESD地)转移，最终所有的电荷会聚集在所创造的ESD地上；另外，侧边的静电膜与PCB地线相接，因而ESD地也为电路板内的静电放电能量提供了一个泄流途径。最终外壳上的电荷和来自电路板内部的静电放电能量都通过ESD地和大地之间的分布电容消耗掉，具体泄流原理，其中C为ESD地和大地之间的分布电容，由于该分布电容是静电放电阻力最小的泄流途径，因而静电放电能量最终会通过该电容进入大地，最后被消耗掉而不会影响设备的正常工作。该发明可以很好地解决非金属外壳无接地系统的静电放电防护问题。 

表1静电放电发生器的特性要求 

使用本实施例对某型电力集中器的静电放电问题进行解决。 

试验中需要用到的设备有静电放电发生器、静电放电试验台和电力集中器（被测设备）等。 

针对某型电力集中器，它可以完全通过接触和空气放电两种试验，试验条件为：空气放电15KV，接触放电8KV；但是进行耦合板放电试验方法测试时，放电电压为8KV，试验过程中电力集中器会自动重启，该现象说明其不能通过该项测试。经过详细的理论分析，确定该产品的静电问题是因为它是一个具有非金属外壳的无接地系统，静电放电电荷能量不能得到及时耗散导致的。 

将本实施例运用于该电力集中器，即，在设备内部侧边的中心位置固定一个尺寸为6cm*6cm的静电膜，底部中心位置固定一个15cm*15cm的静电膜，静电膜采用铜质材料且厚度均为0.5mm。此外，将侧边和底部的静电膜用粗导线连接，通过该方法人为地为该电力集中器创造了一个ESD地，为其静电放电能量提供了能量通道。 

根据静电放电抗扰度试验国家标准GB17626.2-2006规定，对整改后的电力集中器进行了静电放电试验，实验结果显示该电力集中器完全可以通过接触式静电放电8KV试验，空气式静电放电15KV试验和耦合板式静电放电8KV试验。该结果证明了此使用新型的实用性，且证明了该方法的低成本性。 

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种用于具有非金属外壳的无接地设备的静电检测平台，其特征在于：包括：

试验桌（1）、作为基地参考平面的水平耦合板（2）位于此试验桌（1）上表面，一用于放置所述无接地设备的第一绝缘衬垫层（3）位于此水平耦合板（2）中央区域，此第一绝缘衬垫层（3）的面积小于水平耦合板（2）面积，第二绝缘衬垫层（4）位于此水平耦合板（2）上并位于第一绝缘衬垫层（3）一侧，一垂直耦合板（5）固定于此第二绝缘衬垫层（4）表面；

静电放电发生器（6），此静电放电发生器（6）的电极端（13）用于与所述无接地设备（7）接触，静电放电发生器（6）另一端通过导线连接到第一绝缘衬垫层（3），静电放电发生器（3）的电极端经导线连接到接地参考平面（8）；

所述水平耦合板（2）通过串联有阻抗电阻（9）的导线连接到接地参考平面（8）；

四个侧面静电膜（10）分别位于所述非金属外壳（11）内表面的四个侧面上，一底面静电膜（12）位于所述非金属外壳（11）内表面的底面上，此底面静电膜（12）与侧面静电膜（10）电连接且底面静电膜（12）的面积大于侧面静电膜（10）的面积。

2.根据权利要求1所述的静电检测平台，其特征在于：所述侧面静电膜（10）形状均为矩形并位于侧面中心位置，所述底面静电膜（12）形状均为矩形并位于底面中心位置。

3.根据权利要求1所述的静电检测平台，其特征在于：所述侧面静电膜（10）长度为非金属外壳（11）侧面长度的1/3，侧面静电膜（10）宽度为非金属外壳（11）侧面宽度的1/3；所述底面静电膜（12）长度为非金属外壳（11）底面长度的1/3，所述底面静电膜（12）宽度为非金属外壳（11）底面宽度的1/3。

4.根据权利要求1所述的静电检测平台，其特征在于：所述侧面静电膜（10）厚度为0.5mm；所述底面静电膜（12）厚度为0.5mm。

5.根据权利要求1所述的静电检测平台，其特征在于：所述接地参考平面（8）为一金属薄板，此金属薄板四周均伸出水平耦合板（2）外0.5m。

6.根据权利要求1所述的静电检测平台，其特征在于：所述阻抗电阻（9）由两个阻值为470kΩ的电阻组成。

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