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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、管道等各種零部件或總成件內(nèi)部實施檢測,，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：

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,。

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電路及防范措施，實現(xiàn)電路自我保護以避免被靜電損壞,？

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)窺鏡的特點以及使用環(huán)境，為提高產(chǎn)品靜電防護能力,，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)鏡頭部分負責拾取并處理圖像,，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,，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)實現(xiàn)靜電防護,，我們根據(jù)探頭的特點做了以下處理：

圖一

1，探頭外部采用高強度耐磨金屬管套,，將外界的電荷導(dǎo)入?yún)⒖嫉仄矫?，避免靜電釋放到內(nèi)部電子元器件，有效保護光學(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。古安泰工業(yè)內(nèi)窺鏡采用高強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,，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,，傳輸距離遠，信號的傳輸同樣受到靜電的干擾非常大,，當傳輸AV信號時,，靜電的干擾會照成圖像出現(xiàn)噪點等現(xiàn)象,，特別是當為數(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，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. 同樣最外層的高強度四層雙鎢合金編織網(wǎng)管,，對內(nèi)部的線材有保護作用，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，同時也保護了兩端的芯片與電子元件,。

三,、主機部分的靜電的防護與處理

主機部分是工業(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法,，并采用高性能的保護器件—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，磁阻等保護器件,。

由于篇幅受限,，且涉及到保護的地點太多就不逐一贅述。

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,，達到保護效果,。

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