天富平台的静电问题解析

2020-10-20 10:54:41 点击数：3593 文章来源：天富平台

工业内窥镜检测是无损检测中目视检测的一种，可在不需拆卸或破坏结构的情况下，对发动机、管道等各种零部件或总成件内部实施检测，被广泛应用于航空、汽车、船舶、电气、化学、电力、医疗、建筑等现代工业领域。

工业内窥镜作为一种电子产品，在生产、组装、测试、存放、搬运等过程中，都有可能产生静电并累积在人体、设备或元件中。与带静电物体接触形成放电路径，可能会瞬间损坏电子元件或系统，如同云层中储存的电荷，可瞬间产生剧烈闪电而造成巨大破坏。静电给电子产品带来的危害主要有以下三点：

1、静电吸附灰尘，降低元器件的绝缘电阻(缩短寿命)。

2、静电释放(ESD)破坏，造成电子元件不能工作。有些电子元器件也能承受静电破坏的静电电压，但大部分器件的静电破坏电压都在几百至几千伏，而在干燥的环境中人活动所产生的静电可达几千伏到几万伏，此时电子元器件就无法承受了。

3、静电放电产生的电磁场幅度很大(达几百伏／米)，频谱极宽(从几十兆到几千兆)，对电子产品造成干扰甚至损坏(电磁干扰)。

那么如何防止静电放电损伤呢？我们可以改变坏境从源头减少静电(比如减少摩擦、少穿羊毛类毛衣、控制空气温湿度等)，但这不是我们今天讨论的重点。

如何保证设备不受静电干扰与影响，在产品的设计与PCB Layout中采用合理有效的保护电路及防范措施，实现电路自我保护以避免被静电损坏？

我们现在讨论天富平台工程师在产品设计过程中，针对工业内窥镜的特点以及使用环境，为提高产品静电防护能力，都采取了哪些措施，这里以天富平台ME+产品为例，为大家阐述一下。

一、前端探头部分静电的防护与处理

工业内窥镜往往需要在高温、高湿、高辐射等较为恶劣的环境中工作，甚至会有数十千伏的静电存在。前端探头部分包含光学镜头系统，图像传感器，及图像处理系统。光学镜头部分负责拾取并处理图像，是整个产品的核心部件之一。而镜头部分的图像传感器，以及图像处理电路是对静电极其敏感的器件，如设计不合理，势必导致图像断续、死机，甚至图像传感器及其他电路完全损坏等。

天富平台的探头最小直径仅1.8mm，其内部结构复杂精密，内部示意图如图一, 要在如此狭小的空间内实现静电防护，我们根据探头的特点做了以下处理：

图一

1，探头外部采用高强度耐磨金属管套，将外界的电荷导入参考地平面，避免静电释放到内部电子元器件，有效保护光学镜头以及CMOS传感器及其他电路。

2，将前端探头的金属管套顶部稍微凸出光学镜头0.1mm，使得静电的释放首先通过金属管释放，而不会通过镜片释放到内部的电子元器件。

3，前端探头的CMOS图像传感器及图像处理系统的电路设计中加入防静电电路，通过内置TVS瞬态抑制二极管保护电子元器件的安全。

4，内部PCB的设计，在有限空间内尽可能用参考地包裹所有的线路与电子元器件，使空气中的电荷不会释放到内部线路，尽可能加大参考地的面积，使电荷释放的路径阻抗可能小。

内部电路处理与PCB请参考图二，

图二

二、信号传输部分静电的防护与处理

管线是工业内窥镜的重要组成部分，主要功能是信号传输，将探头拾取的图像信号传输到主机。天富平台采用高强度四层钨合金丝耐磨编织管，具有耐磨，抗腐蚀，柔韧性好等特点，管径有1.8mm~8mm多种规格，长度从1m~10m不等。

前端探头部分输出的信号根据不同产品，主要有AV信号，高速USB信号，以及MIPI信号等，由于管线细，传输距离远，信号的传输同样受到静电的干扰非常大，当传输AV信号时，静电的干扰会照成图像出现噪点等现象，特别是当为数字信号（高速USB或MIPI信号），静电会造成图像出现马赛克，掉帧，甚至死机等现象。所以信号传输部分对静电的处理尤为重要，主要从以下几点入手:

1. 信号线的要求

对于AV信号，首先信号线做75欧姆的同轴阻抗匹配，使AV信号在传输过程中尽可能降低损耗，提高抗干扰能力，然后将AV同轴信号线连同电源以及光源驱动等其他信号线缠绕，最后加编织屏蔽网，更好的屏蔽外界的干扰，有效阻止静电的侵入。

对于高速USB信号，同样首先将USB信号线做90欧姆差分阻抗，同样使信号在传输过程中尽可能降低损耗，提高抗干扰能力，其余参考AV信号线做法。

对于使用到的MIPI信号，情况更为特别，相对于其他信号线这里需要特别注意两点，第一，同样有1组或多组100欧姆的差分阻抗线，参考USB线的做法；第二，其中还有一组高速时钟线也需要单独屏蔽。这里以MIPI信号线的示意图为参考，如图三。