古安泰工業(yè)內(nèi)窺鏡的靜電問題解析

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2020.10.20

工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測是無損檢測中目視檢測的一種，可在不需拆卸或破壞結(jié)構(gòu)的情況下，對發(fā)動機(jī)、管道等各種零部件或總成件內(nèi)部實(shí)施檢測，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、船舶、電氣、化學(xué)、電力、醫(yī)療、建筑等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。

工業(yè)內(nèi)窺鏡作為一種電子產(chǎn)品，在生產(chǎn)、組裝、測試、存放、搬運(yùn)等過程中，都有可能產(chǎn)生靜電并累積在人體、設(shè)備或元件中。與帶靜電物體接觸形成放電路徑，可能會瞬間損壞電子元件或系統(tǒng)，如同云層中儲存的電荷，可瞬間產(chǎn)生劇烈閃電而造成巨大破壞。靜電給電子產(chǎn)品帶來的危害主要有以下三點(diǎn)：

1、靜電吸附灰塵，降低元器件的絕緣電阻(縮短壽命)。

2、靜電釋放(ESD)破壞，造成電子元件不能工作。有些電子元器件也能承受靜電破壞的靜電電壓，但大部分器件的靜電破壞電壓都在幾百至幾千伏，而在干燥的環(huán)境中人活動所產(chǎn)生的靜電可達(dá)幾千伏到幾萬伏，此時電子元器件就無法承受了。

3、靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大(達(dá)幾百伏／米)，頻譜極寬(從幾十兆到幾千兆)，對電子產(chǎn)品造成干擾甚至損壞(電磁干擾)。

那么如何防止靜電放電損傷呢？我們可以改變壞境從源頭減少靜電(比如減少摩擦、少穿羊毛類毛衣、控制空氣溫濕度等)，但這不是我們今天討論的重點(diǎn)。

如何保證設(shè)備不受靜電干擾與影響，在產(chǎn)品的設(shè)計與PCB Layout中采用合理有效的保護(hù)電路及防范措施，實(shí)現(xiàn)電路自我保護(hù)以避免被靜電損壞？

我們現(xiàn)在討論古安泰工程師在產(chǎn)品設(shè)計過程中，針對工業(yè)內(nèi)窺鏡的特點(diǎn)以及使用環(huán)境，為提高產(chǎn)品靜電防護(hù)能力，都采取了哪些措施，這里以古安泰ME+產(chǎn)品為例，為大家闡述一下。

一、前端探頭部分靜電的防護(hù)與處理

工業(yè)內(nèi)窺鏡往往需要在高溫、高濕、高輻射等較為惡劣的環(huán)境中工作，甚至?xí)袛?shù)十千伏的靜電存在。前端探頭部分包含光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，圖像傳感器，及圖像處理系統(tǒng)。光學(xué)鏡頭部分負(fù)責(zé)拾取并處理圖像，是整個產(chǎn)品的核心部件之一。而鏡頭部分的圖像傳感器，以及圖像處理電路是對靜電極其敏感的器件，如設(shè)計不合理，勢必導(dǎo)致圖像斷續(xù)、死機(jī)，甚至圖像傳感器及其他電路完全損壞等。

古安泰工業(yè)內(nèi)窺鏡的探頭最小直徑僅1.8mm，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，內(nèi)部示意圖如圖一, 要在如此狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)，我們根據(jù)探頭的特點(diǎn)做了以下處理：

圖一

1，探頭外部采用高強(qiáng)度耐磨金屬管套，將外界的電荷導(dǎo)入?yún)⒖嫉仄矫妫苊忪o電釋放到內(nèi)部電子元器件，有效保護(hù)光學(xué)鏡頭以及CMOS傳感器及其他電路。

2，將前端探頭的金屬管套頂部稍微凸出光學(xué)鏡頭0.1mm，使得靜電的釋放首先通過金屬管釋放，而不會通過鏡片釋放到內(nèi)部的電子元器件。

3，前端探頭的CMOS圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)的電路設(shè)計中加入防靜電電路，通過內(nèi)置TVS瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)電子元器件的安全。

4，內(nèi)部PCB的設(shè)計，在有限空間內(nèi)盡可能用參考地包裹所有的線路與電子元器件，使空氣中的電荷不會釋放到內(nèi)部線路，盡可能加大參考地的面積，使電荷釋放的路徑阻抗可能小。

內(nèi)部電路處理與PCB請參考圖二，

圖二

二、信號傳輸部分靜電的防護(hù)與處理

管線是工業(yè)內(nèi)窺鏡的重要組成部分，主要功能是信號傳輸，將探頭拾取的圖像信號傳輸?shù)街鳈C(jī)。古安泰工業(yè)內(nèi)窺鏡采用高強(qiáng)度四層鎢合金絲耐磨編織管，具有耐磨，抗腐蝕，柔韌性好等特點(diǎn)，管徑有1.8mm~8mm多種規(guī)格，長度從1m~10m不等。

前端探頭部分輸出的信號根據(jù)不同產(chǎn)品，主要有AV信號，高速USB信號，以及MIPI信號等，由于管線細(xì)，傳輸距離遠(yuǎn)，信號的傳輸同樣受到靜電的干擾非常大，當(dāng)傳輸AV信號時，靜電的干擾會照成圖像出現(xiàn)噪點(diǎn)等現(xiàn)象，特別是當(dāng)為數(shù)字信號（高速USB或MIPI信號），靜電會造成圖像出現(xiàn)馬賽克，掉幀，甚至死機(jī)等現(xiàn)象。所以信號傳輸部分對靜電的處理尤為重要，主要從以下幾點(diǎn)入手:

1. 信號線的要求

對于AV信號，首先信號線做75歐姆的同軸阻抗匹配，使AV信號在傳輸過程中盡可能降低損耗，提高抗干擾能力，然后將AV同軸信號線連同電源以及光源驅(qū)動等其他信號線纏繞，最后加編織屏蔽網(wǎng)，更好的屏蔽外界的干擾，有效阻止靜電的侵入。

對于高速USB信號，同樣首先將USB信號線做90歐姆差分阻抗，同樣使信號在傳輸過程中盡可能降低損耗，提高抗干擾能力，其余參考AV信號線做法。

對于使用到的MIPI信號，情況更為特別，相對于其他信號線這里需要特別注意兩點(diǎn)，第一，同樣有1組或多組100歐姆的差分阻抗線，參考USB線的做法；第二，其中還有一組高速時鐘線也需要單獨(dú)屏蔽。這里以MIPI信號線的示意圖為參考，如圖三。

圖三

通過上訴措施，將信號的傳輸與匹配做好，加上屏蔽有效阻斷靜電對信號的干擾。

2. 同樣最外層的高強(qiáng)度四層雙鎢合金編織網(wǎng)管，對內(nèi)部的線材有保護(hù)作用，可以減少靜電對管線的損害。

3. 在信號線的輸入處于輸出處均加上合理的TVS管，使無論來自任何一端的靜電的無法疊加到信號線上，同時也保護(hù)了兩端的芯片與電子元件。

三、主機(jī)部分的靜電的防護(hù)與處理

主機(jī)部分是工業(yè)內(nèi)窺鏡的核心部分，包含視頻處理，屏幕驅(qū)動，電源，按鍵輸入等電路，同時也是最容易受靜電干擾的部分，下面介紹一下為防范靜電的干擾都做了哪些處理。

1、對于工業(yè)內(nèi)窺鏡靜電容易引入的位置有充電口，電池連接端口，Micro HDMI接口，按鍵輸入端，屏幕外殼，螺絲等，針對以上容易引入靜電的地方電路均采用雪崩二極管保護(hù)法，并采用高性能的保護(hù)器件—ESD5451N，RClampTM0524P等。

同樣所有關(guān)鍵器件均采用采用有鉗位二極管的CMOS器件或者TTL器件，以及電路多處采用高壓電容，去耦電容，磁阻等保護(hù)器件。

由于篇幅受限，且涉及到保護(hù)的地點(diǎn)太多就不逐一贅述。

2、同樣在PCB的layout設(shè)計中也充分考慮到ESD問題：

不計成本采用四層板的設(shè)計，相對于雙面PCB而言，地平面和電源平面，以及排列緊密的信號線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合，使之達(dá)到雙面PCB的1/10到1/100。盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB。

對于直接與外面接觸的金屬外殼，是ESD危害最嚴(yán)重之處，專門一段隔離的大面積大電流的ESD引入地，通過放電電容緩慢釋放電荷，達(dá)到保護(hù)效果。

PCB layout第二層為完整的地平面，第三層為電源層，電源層的銅箔在邊緣相對地平面來說縮進(jìn)10mil，使靜電不會釋放到電源層，遵循最短路徑的原則釋放到地平面，同樣在第一和第四層信號層，邊緣都有地所包裹。

PCB的結(jié)構(gòu)示意如圖四，圖五，圖六，圖七，以供參考