USB计算器静电问题的研究

摘要：USB计算器在实际使用过程中受静电影响较大，常常出现数据丢失，结果出错甚至无法控制等现象。基于这种情况，本文首先介绍了静电干扰原理和USB的传输原理。在此基础上，分析研究了USB计算器在设计中存在的问题，并从物理结构和电路设计两方面提出了一系列改善的措施。
       关键词：USB计算器 静电问题

一、引言

USB计算器是银行金融系统常用的工具，是数据准确计算的保证。但USB计算器极易受到静电放电的干扰，出现数据丢失，结果出错甚至无法控制等现象。这对数据准确率要求极高的银行金融系统造成了很大的影响。提高USB计算器的抗静电干扰能力，成为了其推广应用的关键。

二、静电的干扰机理与USB的传输原理

2.1、静电的干扰机理 

静电放电是指具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。静电放电主要有两种方式：

（1）接触放电：试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。

（2）空气放电：将试验发生器的电极靠近受试设备，并产生火花对受试设备激励放电。USB计算器是计算机周边产品，属于IT类设备，因此必须满足EN55024的要求。

接触放电的试验等级为：+4kV；空气放电的试验等级为：+8kV。

2.2、USB的传输原理

USB技术是一种应用在PC领域的接口技术，支持在主机和各种即插即用的外设之间进行数据的传输。USB的传输遵循USB协议，USB传输线有4根线，其中一根是+5V电源线，一根是地线，另两根是差分信号线。根据USB协议，USB设备分主机和从机，连接后，主机与从机之间通过USB线，按照协议建立连接，就可以进行正常通讯。

USB计算器将输入的数据保存到存储模块中，通过计算模块进行数据运算，最后将数据传输至PC主机。解决该过程相关的静电问题，是提高USB计算器抗静电性能的关键。

        三、USB计算器设计中存在的问题

USB计算器的键盘是最易受静电干扰的部分，在试验中，对按键缝隙进行放电，会出现以下几种主要现象：

（1）屏幕出现闪屏现象；

（2）按键出现误动作；

（3）计算的结果出错；

（4）连接中断。

根据分析排除，以上问题主要是由于USB计算器物理结构和电路部分设计不合理引起的。

首先，在计算器的物理结构方面。计算器按键间的缝隙或计算器上壳与下壳之间的连接缝隙过大，在空气放电时，高电压的静电放电击穿空气，在静电枪与USB计算器的PCB板之间产生电火花，在电路中耦合出一连串的干扰脉冲，影响USB计算器的正常工作。

图1 静电击穿

其次，在电路设计方面，USB传输线是USB计算器与PC主机之间数据传输的路径，干扰信号也是通过USB线传导到PC主机上的。那么，对其干扰路径进行必要的滤波处理，是静电防护的重要手段。

       四、对策与应对方案

根据以上的问题分析，本文将从物理结构和电路设计两方面进行探讨。

       4.1基于结构改进的对策方案

加厚处于按键下的塑胶垫片，增大击穿电阻，可以有效抑制从按键缝隙处产生的电火花。

而对于上下壳之间缝隙的处理，上下壳的结构设计可采用下图的方式进行，可以有效改变与增大火花击穿路径，达到静电防护的效果。

图3

通过物理结构的改进，USB计算器静电放电抗扰度的性能有了很大提高。但是仍无法满足静电试验的要求。在此基础上，我们进一步对USB计算器电路部分进行优化。

4.2基于电路设计的对策方案

基于USB传输线是有用信号和干扰信号传播的主要路径，对USB接口电路的滤波处理，就成为了增强USB计算器抗静电能力的着眼点。

USB接口电路主要有四条线：D+数据线，D-数据线，+5V供电线和地线。下面针对四条线的处理分别提出一系列优化方案。

1、数据线分为D+,D-两条差分信号线。这两条线在静电实验中极易受到静电脉冲的干扰，并把干扰信号传到电脑主机上，导致计算器失控，按键误动作等现象发生。为此，根据共模噪声与差模信号的频率特性，在D+、D-信号线加具有良好的高频抑制特性微型共模滤波器。

共模滤波器的频率阻抗特性图如下（图4）

根据特性图可见，共模滤波器对差模信号呈现低阻抗，而对共模噪声却呈现高阻抗，因此可对噪声信号进行有效抑制。

2、对+5V供电线上干扰噪声的抑制，采取两种不同的优化方案。

第一种方案，对其USB计算器的+5V供电线上加滤波电容，根据静电干扰的频率特性图，较宽干扰频率，使用0.01-0.1uF的贴片电容，以改变静电的传输路径将噪声传到地上面去。

另一种方案，根据静电干扰的放电电流波形图，在USB的+5V供电线上加瞬态抑制器件---压敏电阻。由压敏电阻的特性，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻的阻值迅速下降，导通大电流，从而保证+5V供电的稳定，使 USB接口芯片正常工作。

3、对USB的地线的而言，为避免干扰脉冲通过地线直接传导到电脑主机上，有效的方法是在靠近USB计算器的接口处加电磁抗扰元件——磁环。磁环具有良好的电磁噪声吸收特性而不影响有用信号的传输。

除了以上对接口电路的滤波及噪声抑制措施外，另一些对PCB板的合理设计也可以达到增加防静电干扰能力的效果。

在USB计算器的PCB板设计中保持完整的地线层（良好的回流平面）。现在，常见的USB计算器大都采用双面板，因此，在电路设计时尽量从正面走信号线，而反面做地线层。良好的回流平面处处等电位，不会产生共模电阻耦合，也不会经地线形成环流产生天线效应。良好的回流平面能使电磁干扰噪声以最短的路径进入地线层而大大降低。此外还需注意USB计算器上的走线尽量的短捷，在某些不可避免长线的合适位置加入低通滤波器，如插入C或RC滤波器；由于PCB板上的每一根走线即是有用信号的载体，同时也是接收静电辐射干扰的天线，走线越长，越粗，天线效应越强。在键盘的布线中，除地线外，导线尽量用细线取代粗线。

五、.结论

通过对USB计算器结构和电路设计的一系列改进，其静电的防护能力得到了大大提高。