人工智能時(shí)代電子機(jī)器人靜電問題及電路設(shè)計(jì)防范措施

在人工智能時(shí)代，電子機(jī)器人以前所未有的速度融入工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。從工業(yè)生產(chǎn)的精密操作，到醫(yī)療領(lǐng)域的輔助診斷;從物流配送的高效運(yùn)作，到家庭服務(wù)的貼心陪伴，電子機(jī)器人極大地提高了生產(chǎn)效率，改善了人們的生活質(zhì)量。

然而，隨著應(yīng)用日益廣泛，電子機(jī)器人在使用過程中對(duì)靜電的敏感性問題愈發(fā)突出。這主要源于技術(shù)復(fù)雜性不斷提升、需適應(yīng)多樣環(huán)境，以及面臨動(dòng)態(tài)操作需求等因素。那么，該如何解決這些問題呢?

一、機(jī)器人遇到的靜電問題

電子元件的損壞：靜電放電(ESD)可能會(huì)造成電子機(jī)器人內(nèi)部的半導(dǎo)體元件，如集成電路、芯片等永久性損壞。當(dāng)靜電電壓超過其承受閾值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部的絕緣層擊穿，使電子元件無(wú)法正常工作。

數(shù)據(jù)錯(cuò)誤：靜電可能會(huì)干擾電子機(jī)器人的存儲(chǔ)單元，導(dǎo)致存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤或丟失。比如，在機(jī)器人運(yùn)行過程中，靜電可能會(huì)使閃存中的程序代碼發(fā)生改變，從而影響機(jī)器人的控制邏輯和運(yùn)行性能。

系統(tǒng)故障：靜電放電可能引發(fā)機(jī)器人的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致機(jī)器人的動(dòng)作異常、通信中斷等問題。例如，靜電可能會(huì)干擾機(jī)器人的傳感器信號(hào)傳輸，使機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的感知出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響其導(dǎo)航和操作。

電磁干擾：靜電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電子機(jī)器人的射頻電路、無(wú)線通信模塊等產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量，甚至導(dǎo)致通信中斷。比如，在無(wú)線充電過程中，靜電可能會(huì)干擾充電信號(hào)的傳輸，影響充電效率和穩(wěn)定性。

二、電路設(shè)計(jì)靜電解決措施

隨著電子產(chǎn)品不斷發(fā)展，微控制器的精密程度日益提升，這使得其對(duì)外界靜電的防護(hù)要求也越來越高。盡管在制造環(huán)節(jié)，我們能通過優(yōu)化環(huán)境來降低靜電風(fēng)險(xiǎn)，可這僅僅是降低而已，并且在產(chǎn)品的使用過程中，我們沒法對(duì)環(huán)境提出苛刻要求，所以對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行更為嚴(yán)格的靜電防護(hù)就顯得尤為關(guān)鍵，以下是一些可以有效減少電子機(jī)器人靜電問題的電路設(shè)計(jì)方法：

合理布局與布線設(shè)計(jì)

PCB的布局布線尤為重要，對(duì)于靜電影響明顯，這部分內(nèi)容多細(xì)節(jié)多，這里重點(diǎn)概括。

合理布局：將易產(chǎn)生靜電和對(duì)靜電敏感的電路分開布局。例如，把電源電路、驅(qū)動(dòng)電路等易產(chǎn)生干擾的部分與控制電路、傳感器電路等敏感部分分隔開來，減少靜電干擾的影響。

遵循分層原則：在多層電路板設(shè)計(jì)中，將電源層和接地層相鄰放置，利用電源層和接地層之間的電容效應(yīng)，為靜電提供低阻抗的回流路徑，減少靜電在電路板上的積累。。

控制走線間距：保證不同信號(hào)線、電源線之間有足夠的間距，避免信號(hào)線與高電壓、大電流線路平行走線，以減少靜電通過電磁耦合對(duì)信號(hào)線的干擾。

縮短走線：盡量縮短高頻信號(hào)線和敏感信號(hào)線的長(zhǎng)度，減少靜電耦合的機(jī)會(huì)。比如，將微處理器的時(shí)鐘信號(hào)線設(shè)計(jì)得盡可能短，降低靜電干擾導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)。

靜電釋放保護(hù)電路

TVS 二極管保護(hù)：在關(guān)鍵的信號(hào)線路和電源線路上并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)。敏感芯片外圍設(shè)計(jì)ESD防護(hù)電路(如RC濾波、鉗位二極管)。當(dāng)靜電放電產(chǎn)生的瞬態(tài)高電壓出現(xiàn)時(shí)，TVS 二極管能迅速響應(yīng)，將電壓鉗位在一個(gè)安全值，保護(hù)電路中的其他元件不受高電壓損壞。例如，在機(jī)器人的通信接口線路上安裝 TVS 二極管，可有效防止靜電對(duì)通信芯片的損害。

傳感器與接口電路設(shè)計(jì)

傳感器靜電防護(hù)：在傳感器的輸入輸出端口增加靜電保護(hù)電路，如采用TVS，將傳感器端口的電壓限制在安全范圍內(nèi)，防止靜電損壞傳感器。對(duì)于電容式傳感器等易受靜電影響的傳感器，可在其周圍設(shè)置屏蔽層，并將屏蔽層接地，減少外界靜電對(duì)傳感器的干擾。

接口電路優(yōu)化：在機(jī)器人的外部接口，如 USB 接口、HDMI 接口等，集成專用的 ESD 保護(hù)器件。這些器件能夠快速響應(yīng)靜電放電，將靜電能量泄放掉，保護(hù)接口電路和與之相連的內(nèi)部電路不受靜電損害。對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口、電源接口等，采用隔離變壓器、光電隔離器，共模濾波等進(jìn)行隔離阻礙，防止外部靜電通過接口進(jìn)入機(jī)器人內(nèi)部電路。

下圖為上海雷卯設(shè)計(jì)UBS接口靜電保護(hù)方案。其中ESD保護(hù)元件用到有SD1501P4-3，ULC0502P3，ULC3304P19，高頻共模濾波LDWI21T-900Y。

“上海雷卯電子”小程序收集整理常用的接口靜電保護(hù)方案，其中包括了機(jī)器人常用到的，USB，RJ45，RS232/485，HDMI,WI-FI, I2C,SPI/UART,模擬輸入接口，CAN 接口等?？梢晕⑿潘阉鲄⒖?，或聯(lián)系上海雷卯EMC小哥和銷售人員。

濾波與去耦設(shè)計(jì)

電源濾波電路：在電源輸入端設(shè)計(jì) LC 濾波電路或 π 型濾波電路，利用電感和電容的特性，濾除電源中的高頻噪聲和靜電脈沖，為電子機(jī)器人的各個(gè)電路模塊提供穩(wěn)定、純凈的電源。例如，在直流電源線上串聯(lián)一個(gè)小電感，再并聯(lián)一個(gè)大容量電容到地，組成 LC 濾波電路，能有效抑制電源線上的靜電干擾。

去耦電容布局：在每個(gè)芯片的電源引腳附近放置多個(gè)不同容值的去耦電容，一般采用 0.1μF 和 10μF 等組合。0.1μF 的電容用于濾除高頻噪聲，10μF 的電容用于處理低頻干擾和存儲(chǔ)電荷，以保證芯片電源的穩(wěn)定性，防止靜電引起的電源波動(dòng)對(duì)芯片造成影響。

接地與屏蔽設(shè)計(jì)

單點(diǎn)接地：采用單點(diǎn)接地的方式，將機(jī)器人內(nèi)部各個(gè)電路模塊的地連接到一個(gè)公共接地點(diǎn)。這樣可以避免不同電路模塊之間的地電位差，減少靜電環(huán)流的產(chǎn)生。

接地線路設(shè)計(jì)：確保接地線路具有足夠的寬度和低電阻，以保證靜電能夠快速、有效地導(dǎo)入大地。一般來說，接地線路的寬度應(yīng)根據(jù)電流大小進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量減少接地電阻。

電磁屏蔽設(shè)計(jì)：對(duì)于易受靜電干擾的電路模塊，如射頻模塊、音頻模塊等，采用金屬屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，并將屏蔽罩良好接地。屏蔽罩能夠阻擋外部靜電場(chǎng)的干擾，同時(shí)也能防止內(nèi)部電路產(chǎn)生的靜電向外輻射，提高電路的抗靜電能力。

屏蔽線使用：在傳輸敏感信號(hào)的線路中，使用屏蔽線。例如，機(jī)器人的編碼器信號(hào)線、攝像頭視頻線等，屏蔽線的外層金屬屏蔽層接地，可以有效減少靜電對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，保證信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性。

Leiditech雷卯電子致力于成為電磁兼容解決方案和元器件供應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)品牌，供應(yīng)ESD，TVS，TSS，GDT，MOV，MOSFET，Zener，電感等產(chǎn)品。雷卯擁有一支經(jīng)驗(yàn)豐富的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，能夠根據(jù)客戶需求提供個(gè)性化定制服務(wù)，為客戶提供最優(yōu)質(zhì)的解決方案。