靜電放電抗擾度試驗與重復性研究

王文儉，劉 巍，弓 健

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

1 靜電放電抗擾度介紹

1.1 靜電放電原理

靜電放電（ESD，Electrostatic Discharge）即兩個有不同靜電電位的物體，因為實際產生的直接接觸或者是靜電場感應等機制，進一步導致兩個物體間的靜電電荷產生了特殊的轉移現象，靜電電場實際能量提升至特定程度之后，產生了對于介質的擊穿效果并放電的狀況即可稱作是靜電放電[1]。ESD在對地短接物體出現于靜電場的時候會產生，兩大物體間的電位差會造成放電電流，傳遞相應電量來實現抵消特定電位差的效果，這一傳遞程序即可稱作是ESD[1]。該過程中會形成潛在的破壞電壓、電流與電磁場等變化，ESD產生較為強大的尖

峰脈沖電流，此類電流之中存在較多的高頻成分，上限頻率可根據已有數據可大于1 GHz，實際數據受限于電平、相對濕度等多個信息，該頻率中，典型設備電纜乃至于印制板之上產生的走線，會轉化為極為有效的接收天線，所以，針對典型模擬又或是數字電子設備而言，ESD更為側重于感應相關高電平的特殊噪音，其會造成電子設備出現重大地損壞又或是操作失常等問題[1]。

1.2 靜電放電發生器的特性

靜電放電發生器應滿足表1和表2中的規范。

表1 通用規范

表2 接觸放電電流波形參數

1.3 靜電放電抗擾度試驗

為保證實驗室的電磁環境不影響測試結果，建議在屏蔽室中進行靜電放電抗擾度試驗，氣候條件應滿足以下要求：

環境溫度：15°～35°；相對濕度：30%～60%；大氣壓力86 kPa～106 kPa[2]。在實驗環境中，地面應當有相應的接地參考平面，其作為最低厚度數據是0.25 mm的銅或鋁的薄板，其他金屬材質盡管也可滿足基本的運用需求，但是其他物質實際厚度數據相對偏大，至少為0.65 mm的厚度，接地參考平面的相應每邊，需要伸出相關的受試設備或者是耦合板（適用時）外0.5 m，同時將其和保護接地設施進行連接，受試器材和實驗室墻壁以及相關金屬結構間的實際距離數據最低為0.8 m[3]。

臺式設備與落地式設備布置見圖1、圖2。

圖1 臺式設備布置圖

圖2 落地式設備布置圖

通常情況下，僅對正常使用時受試設備上可接觸到的點和面進行靜電放電抗擾度試驗。每次放電之間的時間為1 s。靜電放電發生器垂直于受試設備的表面，提高了試驗可重復性。如果靜電放電發生器不能垂直于受試設備的表面，則應把實際情況記錄在報告之中。應按照GB/T 17626.2對受試設備進行接觸放電或者是空氣放電。在實際進行放電處理的情況下，放電回路電纜和受試器材之間的實際距離數據應當大于等于0.2 m，同時進行實驗操作的人員禁止手持放電回路電纜[3]。

實際得出的試驗結果，需要參考相關受試器材在試驗場景之中所產生的功能喪失，又或是性能下降的具體狀況開展劃分工作，此類分類處理可由負責有關產品的通用、產品以及產品類標準的委員會，作為明確相關功能準則的可靠指南文件，在沒有合適的通用、產品或產品類標準時，可作為制造商和購買方協商的性能規范的框架[3]。

2 影響重復性的主要因素

2.1 靜電放電發生器對重復性的影響

依據GB/T 17626.2，與靜電放電發生器規范有關的，可能導致復現性問題的原因是：在第一個峰值后發生器產生的放電電流波形，例如2 ns～60 ns；當靜電放電施加到受試設備上時發生器產生的輻射電場。

第一個原因由標準維護工作組處理，并規定與2ns～60ns的理想波形可有±35%的容差。在此標準的制定中，放電電流規范的潛在變化被進一步調整為控制第一個峰值下降到初始峰值的60%的時間為（2.5±1）ns。

在3個不同的實驗室，對不同受試設備使用兩種類型的發生器進行一系列測試，一種發生器符合GB/T 17626.2，另一種類型增加了上述提到的規范，每種類型的5個不同的發生器由5個不同制造商提供。

修改的靜電放電發生器一系列測試的結果總結如下：一是使用不同的靜電放電發生器進行測試時，所關注的受試設備受到影響的試驗電平有所不同；二是在時域和頻域中，修改的放電波形的確改善了放電電流波形；三是然而新的波形沒有給實際受試樣品測試結果的復現性帶來任何顯著改善。

表3、表4為兩臺靜電放電發生器的波形參數，圖3～圖6分別為兩臺靜電放電發生器±8 kV放電電流波形。雖然兩臺靜電放電發生器都符合GB/T 17626.2，但是放電電流波形存在著巨大差異。在其他試驗條件一致的情況下，使用這兩臺靜電放電發生器分別對若干個受試設備進行試驗，基于試驗數據得出運用滿足需求的多種發生器進行試驗對重復性有影響。

表3 放電電壓

表4 放電電流

圖3 發生器1+8 kV放電電流波形

圖4 發生器1-8 kV放電電流波形

圖5 發生器2+8 kV放電電流波形

圖6 發生器2-8 kV放電電流波形

2.2 濕度對重復性的影響

大氣壓力、溫度與濕度等條件都會影響空氣的密度、電子自由形成長度、碰撞電離及附著過程，其中對靜電放電抗擾度試驗重復性影響較大的環境因素是濕度。在高濕度環境中，由于物體表面吸附有一定數量的離子的水分子，形成弱導電的濕氣薄層，提高了絕緣體的表面電導率，可將靜電荷擴散到整個材料的表面，從而使靜電勢降低。

2.3 接近速度對重復性的影響

假設靜電放電發生器電量為Q，靜電放電發生器與受試設備之間的電容為c，靜電放電發生器與受試設備之間的電勢差為U，靜電放電發生器與受試設備之間的距離為d。電容c的大小與距離d成反比，則c=A/d，式中，A為除距離d以外的其他分量。得到靜電放電發生器與受試設備之間的電勢差為：U=Q/c =（Q/A）d。等式左右兩邊對時間求導數，得到電勢差隨時間的變化率與靜電放電發生器接近受試設備速度相關的公式。接近速度對靜電放電 發生器與受試設備之間的電勢差的變化率有直接影響。接近速度的大小會對試驗的結果造成差異，對試驗重復性有影響。

3 結束語

綜上所述，影響靜電放電抗擾度重復性的因素包括靜電放電發生器、濕度及接近速度。為了能夠改善靜電放電抗擾度重復性，建議如下：

（1）建議在屏蔽室中進行靜電放電抗擾度試驗。屏蔽室不僅可以保證試驗不受周圍電磁環境噪聲的干擾，而且通過屏蔽室的空調系統可以最大程度的保持氣候條件的穩定性。

（2）在進行試驗前，應按照GB/T 17626.2的要求對靜電放電發生器進行校驗，并記錄校驗數據。確認靜電放電發生器的波形參數是否符合標準的要求和本次校驗數據與前次檢驗數據是否存在較大的差異。

（3）氣放電的場景中，放電頭應當盡量迅速觸及相關的受試器材。