暂态信号对电力线和地面的影响及电力线电磁干扰滤波器

与敏感组件直接电接触的烙铁，焊锡提取器和其他设备可能会向这些设备注入大量能量。具体来说，烙铁头的尖端与组件的引脚之间的金属接触是大电流的通道，可能导致严重的设备损坏。

烙铁头从哪里获得电压？毕竟，它应该接地，就像带有组件的PCB一样，因此理论上应该没有电压差，因此在烙铁头和设备之间应该没有有害电流。但是，仅对于DC或非常低的频率（例如电源（50 / 60Hz）），这可能是正确的。对于高频信号，可能会大不相同。

瞬态信号作为EOS的来源

假设熨斗的尖端正确接地，则其上的电压主要可以通过接地连接到达，并且一定程度上可以通过加热元件与尖端之间的电容耦合来到达。

接地本身并不产生任何信号。但是，接地线连接了整个工厂，一旦一些杂散的电信号进入接地网络，该信号就可以到达很远的地方。

地面上的主要电压源是从电源线泄漏的瞬态信号。瞬态信号可能来自多种来源，例如开关电源，晶闸管控制，伺服电机，设备换向等[1]。这些信号可以达到很大的幅度。图1显示了因接通普遍存在的热风枪而引起的电力线上的瞬态信号。如图所示，峰值信号达到了13.3V，这并不是在运行大量大电流设备的制造环境中发现的最高信号。

由于中性点和地线最终会在某个点连接在一起，并且由于几乎所有设备中都存在泄漏电流（电源线和地之间的寄生电流），而在制造设备中，更高程度地还存在这些瞬态信号在地上。高频下的电流泄漏明显高于电源线频率下通常指定的泄漏。这是由于在较高频率下寄生电容耦合的阻抗大大降低了。由于接地网络的复杂性以及烙​​铁本身在高频下的泄漏增加，在接地的烙铁头与带有组件的接地PC板之间极有可能出现电流尖峰。

什么是可接受且安全的？

在烙铁头上有许多限制信号的标准和建议。ESD协会的STM13.1-2000 [2]将电流限制设置为10mA，电压限制设置为20mV。尽管本文档中的测试设置暗含市电（50 / 60Hz）信号，但没有规定信号特性的限制。应当指出的是，本文档中的当前限制大约有15年的历史（在标准组织内部完成和发布文档至少需要三年的时间）；当前的电流极限应大大降低，以反映当今组件的更高灵敏度。

现在已经过时的MIL-STD-2000 [3]及其相关的军事标准规定尖端上的电压不得超过2mV RMS。RMS值对于瞬态信号可能会产生极大的误导。2mV RMS可能会转换成瞬态信号的很高峰值电压–电压尖峰可能非常窄，即占空比非常短–请参考图2来查看瞬态信号的峰值和RMS值之间的差异，这同样来自于在工作台上的同一热风枪上，时基被扩展到典型的万用表可以测量的程度。761mV峰值仅转换为15.8mV RMS信号-在这种情况下为48倍。对于此类波形，2mV RMS信号将转换为96mV峰值信号。显然，RMS值不是在烙铁头上指定信号的最佳方法。

IPC-TM-650第2.5.33.2节允许在烙铁头上提供2V峰值电压，该电压非常高；同一文档的第2.5.33.3节允许用万用表测量最大1µA的电流，而不是提供RMS或平均值的范围。

与上述IPC标准不同，IPC-A-610-E [4]是控制PCB组装质量的最基本文件，提供以下说明：

3.1.1 EOS / ESD预防–电气过应力（EOS）

…在处理或加工敏感组件之前，需要对工具和设备进行仔细测试，以确保它们不会产生破坏性能量，包括尖峰电压。当前的研究表明，小于0.5伏的电压和尖峰是可以接受的。但是，越来越多的极其敏感的组件要求电烙铁，焊锡提取器，测试仪器和其他设备绝不能产生大于0.3伏的尖峰。

IPC-7711 [5]提供了电子电路返工指导，模仿IPC-A-610-E。

哪些测量很重要

让我们检查由传导EMI引起的EOS信号的特性。通常，传导的发射信号是高能量信号，即具有低输出阻抗并能够传递高电流。原因是在低阻抗电源线上产生干扰需要电源，并且只有真正的低阻抗噪声源可以提供。由于电力线的电流能力，即使电力线上相当低的电压瞬态信号也可能非常危险。

电流是对敏感设备的EOS安全性的更好度量，因为它是导致实际损坏的电流（很少有例外）。另外，由于阻抗复杂，某些设备和板的电流能力可能会在高频下受到限制。因此，电压测量本身并不能完全确定电流注入电路的情况。

有利于电流测量而不是电压的另一个因素是，电源线上和地面上的瞬态信号很强，很容易通过辐射将相应的信号注入示波器的探头电缆，从而使电压测量结果失真。由于多种因素，包括电流探针装置的较低阻抗，将辐射信号注入电流探针的注入明显少于注入电压探针的注入。我们将专注于电流的测量。

图3中显示了工作台的典型设置。在最坏的情况下，使用接地的金属板代替PCB。电流使用Tektronix的CT1电流探头[6]进行测量，带宽为1GHz。该探头的转换系数为5mV / ma，这意味着在示波器上将1mA的电流视为5mV。

制造环境中有许多噪声源。其中一些是随机的，例如打开和关闭典型的热风枪或其他设备而产生的瞬变。其他的则是周期性的，与市电上的电压波形（50或60 Hz）同步。周期性的瞬态信号是由多种设备引起的，包括加热器，视觉系统的亮度控制等等。为了数据的可重复性，我们将重点放在周期性信号上。在下面描述的测试中，使用了与60W灯泡相连的普通调光器产生的易于再现的噪声。

图4描绘了电源线上的此类瞬态信号以及图3所示设置中烙铁头与组件之间的相应电流。如图所示，来自烙铁头的峰值电流（19.12mA）明显高于ESDA所允许的峰值电流。 STM13.1-2000。应该注意的是，在工业环境中，电力线上的典型瞬态信号通常明显高于图4所示的信号–参见前面的图1。

来自先前发布的来源的数据证实了以上数据。雷声公司在2005年ESD研讨会上发表的论文[7]中显示，烙铁尖端的瞬态电流达到1000mA。

噪音如何在烙铁头上产生

尽管大多数专业级烙铁的烙铁头已足够接地，以适用于DC和非常低的频率，但在高频情况下，情况却大不相同。图5显示了烙铁和工作台在高频下的外观。有几个因素在起作用（没有特殊的重要性顺序）：

电力线上的噪声会通过电容性和电感性耦合以及泄漏电流在地面上感应出相应的噪声。

由于多种因素，开关电源（用于烙铁中的将120 / 250V转换为典型的24V的电源）对于高频信号可能是透明的，其中寄生电容是主要因素。来自电源的噪声因此可以传播到熨斗加热元件的低压线路

烙铁内部的开关电源本身可能就是噪声源

铁的加热元件与烙铁头电容耦合，可传播高频信号

接地线-从干线到熨斗的电源，从熨斗的电源到熨斗本身，以及从焊接的物体到设备的地面-都具有复杂的阻抗，包括电阻和电感。

如果尖端上的电压与PCB上或焊接的组件上的电压相同，则不会有任何电流。在直流和50 / 60Hz频率下，专业烙铁的接地方案通常效果很好。在高频下，由于整个接地线的阻抗很复杂，尖端和组件之间的电压几乎不可能均衡。除其他因素外，该阻抗会引起接地反弹[8]和相移，以及谐振和振铃[9]。有时加剧了这种情况的是，有些工厂选择了单独的“ ESD接地” –一个不同的接地网络，该接地网络最终连接到设施接地。这两个接地网络中的长导线通向烙铁和工作台，这极大地增加了高频时的电压差。图6显示了在几种情况下从烙铁头流出的电流，烙铁的插入位置与工作台/ PCB的接地之间的距离不同。如图所示，电流差达到〜80％。

烙铁性能

所有的烙铁在产生和/或降低噪音时是否都一样？顶级烙铁怎么样？如果烙铁头有电流，是否表示烙铁本身有缺陷或不适合使用敏感元件？

来自专业级正确安装的烙铁头的高频电流不是由烙铁本身引起的，而是由复杂的设备拓扑结构，设备的布线和操作引起的。烙铁只是焊接过程中的一个组成部分，无论其质量如何，都无法从根本上解决设备本身的问题。简而言之，如果您有优质的烙铁，那么它就是在做它的工作。为熨斗只是组件之一的整个工作台提供安全的EOS环境是用户的任务。

暂态信号对电力线和地面的影响

如果电力线上的瞬态信号源是已知的，并且可以在不影响生产过程的情况下将其移除，那么从烙铁头端来的电流减小相对简单。但是，来源经常是未知的或无法删除。剩下的唯一选择是接地管理，并过滤掉电源线和地面上的瞬态信号。

接地管理

重新路由接地连接以及将“嘈杂”接地与干净的接地分开可以帮助减少有害电流。本文[4]推荐和解释的技术有助于减轻某些噪声问题。具体而言，对设施接地的低阻抗以及“嘈杂”和“安静”接地之间的分隔以及将烙铁和工作台连接到“安静”接地的情况通常会导致产生较低水平的瞬态信号。

如图6所示，工作台和烙铁之间尽可能靠近的接地可以显着减少焊接过程中的电流暴露。

但是，仅靠接地管理并不能令人满意地解决噪声问题，因为无法消除EMI的源头，并且烙铁中仍然存在有问题的信号。

滤除噪音

除非大大降低电源线和地面上的噪声，否则在焊接过程中始终会有EOS暴露的可能性。主要有两种情况：

a）地面和电源线上都有
噪声b）噪声只在地面上存在，而在电源线上没有强烈噪声，即地面上的噪声来自工厂的其他地方

电力线电磁干扰滤波器

这些滤波器可抑制电源线上的噪声，并为负载（在我们的示例中为烙铁）提供相对清洁的电源。一些EMI滤波器还可以抑制接地线中的噪声。

图7显示了建议使用烙铁的电源线EMI滤波器的应用。将工作台或工具的接地连接到滤波器的接地端子，而不是设备接地，这一点很重要–滤波器在其输出端创建安静的“ EMI生态系统”。图8显示了与OnFILTER的APN515LG滤波器配合使用而经过优化的烙铁头端电流，该烙铁头针对焊接工艺进行了优化，而电源线上的噪声与图4相同。可见，从烙铁头端流出的电流可以忽略不计。

这需要针对焊接工艺特性进行优化的专门设计的过滤器–有关详细信息，请参考[9]。

地线滤波器

如果电源线上没有可观的噪声，但是地面有从其他地方传播的噪声，则接地线滤波器可能是电源线滤波器的很好替代品–比更复杂的电源线滤波器便宜。在您的设备地面和工作台/工具之间连接接地线滤波器。为了提供安全，无噪音的环境，需要正确选择接地线滤波器。

结论

电源线和地面上的高频信号会在焊接过程中导致高电流流入敏感设备，从而导致电气过应力和设备损坏。正确分析焊接环境以及导电物体与敏感设备接触的任何环境，并采取预防和纠正措施，可以提高良率并减少EOS引起的故障。

参考：

• 电气过应力（EOS）及其对当今制造业的影响，V。Kraz，Pulse Magazine，2012年4月17日
• ESDA STM13.1-2000
• MIL-STD-2000军事标准：焊接电气和电子组件的标准要求
• IPC-A-610-E-2010，电子组件的可接受性，IPC
• IPC-7711B IPC电子组件的返工，修改和维修
• 泰克交流电流探头
• 焊接到故障120VAC插座的烙铁的EOS，Raytheon，W. Farrel等。ESD研讨会论文集，2005年
• 您的地盘好吗？V. Kraz和P. Gagnon，评估工程，2001年
• 交流电上的快速瞬变对EOS的损害，A。Wallash，V。Kraz，ESD研讨会论文集，2010年

编辑：hfy