关键词：仪表 控制系统 静电放电 抗扰度
自1984年M.Honda首先指出间接静电放电(ESD)会形成强电磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场，对微电子设备造成严重的电磁干扰和浪涌效应，是一种新的电磁干扰源，至今已有20多年了。之后，人们在研究静电技术的工业应用的同时，与静电相关联的静电危害防护研究开始受到人们普遍的关注。
一 关于IEC标准规定的静电放电模型
产生静电的原因大致有静电感应和摩擦起电两种。
任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电的人体皮肤层上，所以人体是最主要的静电放电源头。因此，我们在研究仪表和控制系统的静电防护时，首先要涉及到人体的静电模型。
一个物体上所积累的电荷储存在该物体的电容中。通常，我们总认为只有在两个平板之间才会有电容，实际上所有的物体都有自己的自由空间电容，无非第二个平板(指地球)无限大而已。
人体的电容和电阻如图1所示。一个人体在自由空间中的电容约为50pF。除此以外，人体电容还包括脚底与地面之间的电容(约100pF)。如果人体接近墙壁等周围的某些物体，还会增加50～100pF的电容。所以人体电容等于
C=0.55H+0.008KA/t(pF)
(1)
式中：
H--人体高度(cm)；
K--鞋底材料的介电常数；
A--两只鞋底的总面积(cm2)；
t--鞋底厚度(cm)。
人体电阻是非线性的，其值约在500～1000Ω之间，它和人体产生放电的位置有关。若手指尖放电，人体电阻约为10kΩ；若手掌放电，人体电阻约为1000Ω；若在手持的金属物体上放电，人体电阻约为500Ω；若放电发生在较大的金属物体上，人体电阻可以减小为50Ω。此外，影响人体电阻的因素还有皮肤表面的水分、盐和油、皮肤接触面积和压力等。
图2是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中，并通过一个等效的人体电阻产生放电。(该静电模型没有考虑人体电感的大小，但是电感对确定放电电流的上升沿时间有决定性的影响，应当将它计算进来。设法减小该电感的大小是设计ESD测试仪器的主要难题之一，该电感的大小应小于0.1μH)。
图2的电路可以模拟人体的静电放电，被IEC标准和许多制造商用于静电测试。
1995年颁布的IEC标准《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验(IEC 61000-4-2：1995)》将静电放电抗扰度的试验等级规定为如表1所示的几个等级。
1997年颁布的IEC标准《测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求(IEC 61326-1：1997)》对用于工业场所设备的静电抗扰度规定的试验值为接触放电4kV，空气放电8kV。
静电放电的上升沿时间和其能量是决定放电严酷度的两个主要参数。上升沿时间可以用人体电容和人体电阻的乘积RC(即时间常数)为特征，而能量的大小可按下式计算：
W=0.5CU2(J) (2)
式中：C--人体对地电容(F)；
V--人体静电电压(V)。
表2是取自IEC标准和几个公司规定的人体静电放电模型的参数取值。
上升沿时间的特征值RC愈小或放电的能量愈大，表明静电放电的严酷程度愈高。由表2的数据可知，特征值RC最小的是公司E，放电能量最大的是公司A。IEC标准规定的这两个参数值都不是最严酷的，特别是放电能量远小于其他诸公司。
为此，笔者认为，有许多仪表的制造商往往认为自己产品的静电抗扰度已达到了IEC标准规定的2级或3级指标就与以认可，而实际上这是远远不够的。为提高仪表和控制系统的静电放电抗扰度，不但要看试验电压的大小，还应着眼于试验模型，要注意上升沿时间的特征值RC的大小。
这里顺便提醒一点。进行仪表和控制系统的静电放电抗扰度的试验方式有接触放电和空气放电两种，由于空气放电方式涉及到外部火花通道的形成过程，温度、湿度以及静电枪接近被测物体的速度变化都会引起放电过程的显著变化。实验证明，随着静电枪接近被测物体的速度变化，放电电流的
上升沿时间可由小于1ns变化到大于20ns。由于空气放电的重复性极差，测试的数据可靠性差，所以应优先采用接触放电的方式。二 仪表和控制系统人机界面面板材质的选择
既然人体是最主要的静电放电源头，所以仪表和控制系统人机界面面板材质的选择就显得十分重要。
如果带电的人体通过接触使仪表和控制系统人机界面的面板携带电荷，那么面板上的放电应该通过面板表面缓慢进行，以限制电流，防止损坏。表示这一特性有一个重要参数--衰减时间τ，它可表示为：
τ=ερ (3)
式中：ε--材料的介电常数；
ρ--材料的表面电阻率(Ω/m2
其中ρ的变化范围要远远大于ε的变化范围(ε值一般为2～11，相差仅5倍，而ρ的大小要相差1010倍)所以对衰减时间τ起主要作用的是材料的表面电阻率ρ。根据材料的表面电阻率，可将材料分成3大类(见表3)。
表面电阻率小于104Ω/m2的静电导体材料耗散电荷的速度最快，使用接地方式很容易将其表面所携带的电荷释放掉。但因迅速放电使放电电流峰值很大，一旦放电通道靠近已带电的电子系统，可能会产生某种损坏。所以它不宜作为人机界面的面板材料。
静电绝缘材料不能耗散电荷，在静电敏感环境中严禁使用。
与静电导体相比，静电耗散材料的耗散电荷的速度很慢，很安全。接地的静电耗散材料也可用于防止静电积累，一旦物体带电，也可以安全地泄放这些电荷。
一般认为，仪表和控制系统人机界面面板材质的表面电阻率不宜超过1011Ω/m2。
目前，最常用的面板材质有聚碳酸酯(PC)和尼龙(PA)等，它们各自的表面电阻率如表4所示。
就表4所列的数据可知，从静电防护要求上来看，尼龙66似乎要优于其他。但是面板材质的选择，还必须考虑机械加工性能和化学稳定性。再则，即便是同样一种材料，不同制造商提供的其表面电阻率的大小也有所不一。所以，当考虑了机械加工性能和化学稳定性后，如表面电阻率不满足要求时，可以采取如下措施：
(1)在原材料中加防静电添加剂；
(2)因为静电是仅发生在材料表面上的现象，所以可在面板表面涂层(包括在金属面板上覆盖一层涂层)，使表面电阻率符合要求。
三 仪表和控制系统的信号地与保护地必须分开
为防止仪表控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，在常见的防护方法中，有几种和静电放电电流的泄放路径相关。
1. 金属火花吸收器
在设计面板时应当遵循这样一条原则：静电放电电流能够直接到地，而不会流过敏感的电路或器件。若是使用绝缘键盘，那么可以在键盘与电路之间使用金属火花吸收器，为静电放电电流提供可选择的泄放路径。如图3所示，金属火花吸收器安装在绝缘面板的后面，并应接地到机壳或机架的保护地上，绝不能接到信号地上。
2. 印刷线路板上的保护环
操作人员将印刷线路板插拔到母板上去的动作是产生静电损伤问题的一个常见原因。为此，可沿电路板的边缘设计一个保护环，并将该保护环接地(见图4)。当操作人员手拿电路板时，可将人体上的电荷通过保护环释放到接地装置上去。
电路板接入系统后，保护环仍然起到保护它的作用。若有带电的人或物体靠近电路板，任何产生的放电都有可能是向着接地的保护环，而不是向着电路板上的电路。
由此可见，无论是金属火花吸收器，或是印刷线路板上的保护环，乃至用金属屏蔽体将电路屏蔽接地，为避免静电放电电流不流过或靠近敏感的电路或器件，在同一个设备上必须分别设置信号地和保护地，而且应尽量拉开它们之间的耦合距离。静电放电电流(包括雷电波和开关启/停的浪涌电流)只能通过保护地进行泄放。
遗憾的是，目前许多仪表只设置一个地，将信号地和保护地在设备内就合一，这对提高其静电放电抗扰度是很不利的。
四 结束语
曾有资料报道，不合格的电子器件中有40%是静电放电危害造成的。在电子工业领域，全球每年因静电造成的损失高达百亿美元。
1989年5月3日欧共体颁布了《关于协调成员国有关电磁兼容法律的理事会指令》，将电磁兼容性(EMC)作为防护目标。这一指令于1992年11月9日被转成德国法律《设备电磁兼容法》。1995年8月30日修订了该法律
，违反了电磁兼容法将被视为犯罪。1991年，在美国政府工作报告(AD-A243367)中已把静电放电和10多种电磁危害源综合考虑为电磁环境效应(Electromagnetic Environment Effect)，简称E3问题。由此足见，提高仪表和控制系统的静电放电抗扰度的重要性。
