电力自动抄表系统PCB静电防护设计

这里简要介绍居民电表集中抄表系统接口电路的PCB，在设计阶段的电防护问题，分析了PCB板静电防护的基本原理。在此基础上给出集中抄表系统接口电路PCB的布局及单板之间通讯接口静电防护的实现。

1．引言

电力系统的计量设备对电磁兼容(EMC)有严格的要求，为保证设备稳定可靠地工作，相关部门对计量设备进行电磁兼容性强制检测并要求通过。产品进行静电防护设计时，需要从设计初期进行考虑，从原理图设计、元器件选择、PCB设计时就进行静电防护设计。本文将分析静电对PCB上器件的影响，以及在实际PCB设计工作中应对的方法。

2．静电放电影响设备的途径 

静电放电主要通过辐射干扰和传导干扰的形式危害设备。静电对设备上接口放电时，形成大的传导电流进入接口线路，传导电流产生电场和磁场在空间传播，对设备中的器件产生电磁干扰。静电放电电流的数学表达式如下

式中t为放电的时间，i为电流幅度，其电流峰值在几十纳秒内可达到几十安培。

使用偶极子模型：静电放电产生的电磁场表示为：


其中E为电场，H为磁场，Ur、Ux、Uo为柱坐标系单位矢量，p为电荷分布，c为光速，E为自由空间介电常数，dI为电流偶极子的长度，D为观测点和偶极子距离，x为偶极子和纯导电平面垂直距离。

式(2)(3)表明，电流峰值影响近场的辐射强度，电流的变化率影响远场的辐射强度。

3．接口电路的静电放电防护设计

PCB静电防护主要针对静电放电产生的传导电流和辐射场采取相应措施。静电放电产生的传导电流，一般是通过设备的接线端子影响内部电路。电力自动抄表设备和外部设备的电路主要是RS485／RS232等接口。对485接口，主要采取光电隔离器将接口电路和内部CPU电路隔离。瞬态二极管可以防止静电放电瞬间过大的电流将光电隔离芯片损坏，如图1所示。

图1中，瞬态二极管D1、D2是接到隔离的地，在PCB设计时要保证隔离地有足够大的敷铜区或接到金属外壳，静电才能通过D1、D2得到泄放。

静电放电产生的辐射场，对电路的影响是多种多样的，相同的原理图，不同的布线方式也会得到不同的结果。对元器件的选取要充分考虑到抗干扰能力，恰当选取去耦电容，对电源或信号可避免形成大的回路等等。而PCB设计对接口电路也要做精心的考虑，图2是自动抄表系统一块单板的PCB，其中A、B是外部接口两个输入端子。B经过电感C接到地，A用TVS管加以保护。对输入端子施加接触式8kV静电时，单板有复位现象。

经过分析，认为主要是A、B至C、D间走线过长，静电放电电流产生较强的辐射场影响电路运行。重新安排元器件布局如图3所示。

静电试验表明，经过重新布局后能通过8kV接触式静电试验。因此图1中的TVS管在PCB设计时应尽量靠近接线端子，其中静电泄放的路径尽量短，这可减少辐射电磁场的影响。

4．结束语

电力系统自动抄系统设备对EMC要求严格，本文从实际的工程实例出发，分析了PCB设计阶段中针对静电放电产生的传导电流和辐射电磁场所采取相应的措施。