电子计价秤抗静电放电问题分析

摘要：静电的产生具有隐蔽性、潜在累积性，可能会造成电子产品工作异常、损坏，甚至引发其他的安全问题。在研发阶段应对电子秤产品进行静电放电抗扰度试验，分析并验证各种整改措施，为电子秤的后期开发提供必要的参考和依据。采用标准的试验设备、环境及操作，对电子秤分别进行接触放电和空气放电试验。结果表明：易受影响的关键模块为A／D转换器，产品的开发应着力于其选型和电路设计。
关键词：电子秤；静电放电；抗扰度；A／D转换器

0 引言
木制秤取消后，电子计价秤因其能满足“快速、准确、自动”的称量要求，逐渐成为菜场、商店等经营场所购物结账的必需品。实际生活中，周边复杂的电磁环境容易使电子秤受到干扰，影响其称量的准确性，使消费者在未知情的情况下多掏腰包。一台合格的电子秤要求能够抑制这些干扰，并将它减小到国家标准允许的范围内。本文针对电子秤的抗静电放电问题进行分析，并提出整改方案。

1 静电产生的主要原因及试验室静电放电模型
在运动过程中，人体与衣服发生摩擦，比如穿化学纤维制成的衣物就容易产生静电。干燥的环境更有利于电荷的积累和转移，特别是冬天，当空气的相对湿度低于45％时，地板或工作台上的胶板都有可能产生静电。
为了评估电气和电子设备遭受静电放电时的性能，建立通用的和可重现的基准，国家标准GB／T17626．2-2006／IEC61000-4-2：2001规定了电气和电子设备遭受直接来自操作者和对邻近物体的静电放电时的抗扰度要求和试验方法。标准中规定试验时环境温度控制在15～35 ℃，相对湿度控制在30％～60％。由于南北方气候地域性差异，可以用除湿器和加湿器对湿度进行控制。将静电放电分为接触放电和空气放电。以接触放电为优先选择。接触放电的电流脉冲波上升时间为0．7 ns，比空气放电快，其波形中的谐波成分更丰富，因此对设备考核更准确更严格。静电放电发生器输出电流波形如图1所示。

对于台式设备，受试设备放于绝缘衬垫上，绝缘衬垫位于水平耦合板上，施加静电放电部位为受试设备上可触及的金属部分。试验中测试的电子计价秤没有接大地，其金属部分和水平耦合板之间应使用带泄放电阻的电缆连接，或者使用带泄放电阻和碳纤刷的接地电缆。如图2所示。
非自动秤通用检定规程JJG555-1996对电子秤等在检定和使用中做了更为详细的规定，静电放电方面指定试验严酷程度为3级，即接触放电6 kV，空气放电8 kV。判据要求为在干扰和无干扰情况下，其示值之差应不大于最小分度值；或者秤能检出干扰误差并反应显著。
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2 电子秤静电放电案例
2．1 试验仪器
试验过程中使用的静电放电发生器为特测NSG438，如图3所示，满足IEC61000-4-2标准，配置其他适当的放电模块，还可以满足其他静电放电标准。

2．2 问题描述
某型号电子秤正常工作时，正确显示标称砝码示值。当对水平耦合板进行6 kV间接放电后，显示屏示值出现紊乱，并且伴有出错报警音，甚至死机。
2．3 干扰分析及抑制
常用电子计价秤系统框图如图4所示，被秤物品重量的变化将导致传感器形变，输出变化的模拟信号，信号放大后经过必要的滤波传送到模／数转换模块，转换成便于处理的数字信号，微处理器对这些采集到的数字信号进行解析，最终将结果输出到显示屏显示。

对水平耦合板施加的干扰主要是通过空间耦合到电子计价秤内部。试验过程中显示屏示值出现紊乱，初步锁定易受电磁波干扰的元器件。检查线路板发现CPU微处理器的工作晶振外壳没有接地，对晶振实施有效的接地后发现前期施加干扰时秤示值一直跳动，干扰停止后即可恢复正常，随着干扰施加次数的增多，又重新出现紊乱现象，即使干扰停止也不能自行恢复正常。晶振接地可以起到一定的抗干扰作用，但还不足以从根本上解决示值偏移及工作稳定性问题。
进一步分析原理图发现系统中还有一个很重要的模块——模／数转换芯片，该部分电路中应注意地线的正确连接及地平面的完整性。地线的电平变化将对模拟电路部分的工作产生很强的干扰，数字噪声容易重叠在模拟量输入电压中，使A／D转换器工作不正常。针对这个切入点，分析了试品的PCB走线，发现线路板中模拟地和数字地分开，没有进行有效的共地处理。从整个板子的角度分析，模／数转换芯片内部两个地其实早已连接在一起，这个时候如果把模拟地和数字地分开，整个板子就会出现一个大的回路，引起回路噪声。将模拟地和数字地进行共地连接后重新进行试验发现试品在整个试验过程中工作稳定，有效地抑制了静电放电干扰。整改后PCB板如图5所示。

3 结语
系统的晶振接地对抑制干扰有一定的作用，布板时可以在封装外围做一个接地的焊盘，需要注意的是批量生产中回流波峰焊后需要手工补焊该点。静电放电对环境湿度依赖性较大，操作者使用电子秤前应事先采取措施除去静电。同时适当添加压敏电阻、电容或者TVS管等补救措施都能在一定程度上抑制静电放电。为了少走弯路和节省时间，在电子系统设计前期就应充分考虑并满足产品抗干扰性的要求，合理摆放敏感元器件，对PCB板做好必要的防静电措施，如加大复位线、时钟线与其他布线间的距离，铺地时尽量避免尖角，并合理布局好过孔，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施，导致批量生产成本的提高。