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古安泰工业内窥镜中静电问题介绍与解决方案探讨

古安泰工业内窥镜中静电问题介绍与解决方案探讨
2020-10-20 14:44:43 来源:财讯网

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?

 

我们现在讨论古安泰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,这里以古安泰ME+产品为例,为大家阐述一下。

 

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。

 

古安泰工业内窥镜的探头最小直径仅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

 

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。古安泰工业内窥镜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:

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。

 

                      图三

 

通过上诉措施,将信号的传输与匹配做好,加上屏蔽有效阻断静电对信号的干扰。同样最外层的高强度四层双钨合金编织网管,对内部的线材有保护作用,可以减少静电对管线的损害。

 

在信号线的输入处于输出处均加上合理的TVS管,使无论来自任何一端的静电的无法叠加到信号线上,同时也保护了两端的芯片与电子元件。

 

三、主机部分的静电的防护与处理

 

主机部分是工业内窥镜的核心部分,包含视频处理,屏幕驱动,电源,按键输入等电路,同时也是最容易受静电干扰的部分,下面介绍一下为防范静电的干扰都做了哪些处理。

 

1、对于工业内窥镜静电容易引入的位置有充电口,电池连接端口,Micro HDMI接口,按键输入端,屏幕外壳,螺丝等,针对以上容易引入静电的地方电路均采用雪崩二极管保护法,并采用高性能的保护器件—ESD5451N,RClampTM0524P等。

 

同样所有关键器件均采用采用有钳位二极管的CMOS器件或者TTL器件,以及电路多处采用高压电容,去耦电容,磁阻等保护器件。

 

由于篇幅受限,且涉及到保护的地点太多就不逐一赘述。

 

2、同样在PCB的layout设计中也充分考虑到ESD问题:

不计成本采用四层板的设计,相对于双面PCB而言,地平面和电源平面,以及排列紧密的信号线-地线间距能够减小共模阻抗和感性耦合,使之达到双面PCB的1/10到1/100。尽量地将每一个信号层都紧靠一个电源层或地线层。对于顶层和底层表面都有元器件、具有很短连接线以及许多填充地的高密度PCB。

 

对于直接与外面接触的金属外壳,是ESD危害最严重之处,专门一段隔离的大面积大电流的ESD引入地,通过放电电容缓慢释放电荷,达到保护效果。

 

PCB layout第二层为完整的地平面,第三层为电源层,电源层的铜箔在边缘相对地平面来说缩进10mil,使静电不会释放到电源层,遵循最短路径的原则释放到地平面,同样在第一和第四层信号层,边缘都有地所包裹。

 

PCB的结构示意如图四,图五,图六,图七,以供参考

 

图四

 

图五

 

图六

 

图七

 

外壳内壁涂抹防静电漆,起到吸收静电,避免静电通过空气与外壳释放到元器件及线路之上。

 

  通过以上措施,我公司设计的产品在公司实验室测试的报告如下表:

 

 

以上测试报告为公司测试的结果,初步判定没有问题后,送标准实验室测试,结果如下:

 

从测试结果来看设计是完全满足ESD要求的。

 

ESD的设计学问很深,这里仅介绍了一些皮毛。后续我们将继续进行探索,不断改进技术水平,提高产品质量,为打造更好的国产工业内窥镜品牌而不懈努力。

 

责任编辑:kj005

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