靜電放電抗擾度試驗(yàn)與重復(fù)性研究

王文儉，劉 巍，弓 健

（國家無線電監(jiān)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?yàn)閷?shí)際產(chǎn)生的直接接觸或者是靜電場感應(yīng)等機(jī)制，進(jìn)一步導(dǎo)致兩個物體間的靜電電荷產(chǎn)生了特殊的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，靜電電場實(shí)際能量提升至特定程度之后，產(chǎn)生了對于介質(zhì)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(xiàn)于靜電場的時候會產(chǎn)生，兩大物體間的電位差會造成放電電流，傳遞相應(yīng)電量來實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生較為強(qiáng)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(jù)已有數(shù)據(jù)可大于1 GHz，實(shí)際數(shù)據(jù)受限于電平、相對濕度等多個信息，該頻率中，典型設(shè)備電纜乃至于印制板之上產(chǎn)生的走線，會轉(zhuǎn)化為極為有效的接收天線，所以，針對典型模擬又或是數(shù)字電子設(shè)備而言，ESD更為側(cè)重于感應(yīng)相關(guān)高電平的特殊噪音，其會造成電子設(shè)備出現(xiàn)重大地?fù)p壞又或是操作失常等問題[1]。

1.2 靜電放電發(fā)生器的特性

靜電放電發(fā)生器應(yīng)滿足表1和表2中的規(guī)范。

表1 通用規(guī)范

表2 接觸放電電流波形參數(shù)

1.3 靜電放電抗擾度試驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)室的電磁環(huán)境不影響測試結(jié)果，建議在屏蔽室中進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)，氣候條件應(yīng)滿足以下要求：

環(huán)境溫度：15°～35°；相對濕度：30%～60%；大氣壓力86 kPa～106 kPa[2]。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，地面應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的接地參考平面，其作為最低厚度數(shù)據(jù)是0.25 mm的銅或鋁的薄板，其他金屬材質(zhì)盡管也可滿足基本的運(yùn)用需求，但是其他物質(zhì)實(shí)際厚度數(shù)據(jù)相對偏大，至少為0.65 mm的厚度，接地參考平面的相應(yīng)每邊，需要伸出相關(guān)的受試設(shè)備或者是耦合板（適用時）外0.5 m，同時將其和保護(hù)接地設(shè)施進(jìn)行連接，受試器材和實(shí)驗(yàn)室墻壁以及相關(guān)金屬結(jié)構(gòu)間的實(shí)際距離數(shù)據(jù)最低為0.8 m[3]。

臺式設(shè)備與落地式設(shè)備布置見圖1、圖2。

圖1 臺式設(shè)備布置圖

圖2 落地式設(shè)備布置圖

通常情況下，僅對正常使用時受試設(shè)備上可接觸到的點(diǎn)和面進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)。每次放電之間的時間為1 s。靜電放電發(fā)生器垂直于受試設(shè)備的表面，提高了試驗(yàn)可重復(fù)性。如果靜電放電發(fā)生器不能垂直于受試設(shè)備的表面，則應(yīng)把實(shí)際情況記錄在報(bào)告之中。應(yīng)按照GB/T 17626.2對受試設(shè)備進(jìn)行接觸放電或者是空氣放電。在實(shí)際進(jìn)行放電處理的情況下，放電回路電纜和受試器材之間的實(shí)際距離數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)大于等于0.2 m，同時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的人員禁止手持放電回路電纜[3]。

實(shí)際得出的試驗(yàn)結(jié)果，需要參考相關(guān)受試器材在試驗(yàn)場景之中所產(chǎn)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(fù)責(zé)有關(guān)產(chǎn)品的通用、產(chǎn)品以及產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)的委員會，作為明確相關(guān)功能準(zhǔn)則的可靠指南文件，在沒有合適的通用、產(chǎn)品或產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)時，可作為制造商和購買方協(xié)商的性能規(guī)范的框架[3]。

2 影響重復(fù)性的主要因素

2.1 靜電放電發(fā)生器對重復(fù)性的影響

依據(jù)GB/T 17626.2，與靜電放電發(fā)生器規(guī)范有關(guān)的，可能導(dǎo)致復(fù)現(xiàn)性問題的原因是：在第一個峰值后發(fā)生器產(chǎn)生的放電電流波形，例如2 ns～60 ns；當(dāng)靜電放電施加到受試設(shè)備上時發(fā)生器產(chǎn)生的輻射電場。

第一個原因由標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)工作組處理，并規(guī)定與2ns～60ns的理想波形可有±35%的容差。在此標(biāo)準(zhǔn)的制定中，放電電流規(guī)范的潛在變化被進(jìn)一步調(diào)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(shí)驗(yàn)室，對不同受試設(shè)備使用兩種類型的發(fā)生器進(jìn)行一系列測試，一種發(fā)生器符合GB/T 17626.2，另一種類型增加了上述提到的規(guī)范，每種類型的5個不同的發(fā)生器由5個不同制造商提供。

修改的靜電放電發(fā)生器一系列測試的結(jié)果總結(jié)如下：一是使用不同的靜電放電發(fā)生器進(jìn)行測試時，所關(guān)注的受試設(shè)備受到影響的試驗(yàn)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(shí)際受試樣品測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性帶來任何顯著改善。

表3、表4為兩臺靜電放電發(fā)生器的波形參數(shù)，圖3～圖6分別為兩臺靜電放電發(fā)生器±8 kV放電電流波形。雖然兩臺靜電放電發(fā)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(yàn)條件一致的情況下，使用這兩臺靜電放電發(fā)生器分別對若干個受試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出運(yùn)用滿足需求的多種發(fā)生器進(jìn)行試驗(yàn)對重復(fù)性有影響。

表3 放電電壓

表4 放電電流

圖3 發(fā)生器1+8 kV放電電流波形

圖4 發(fā)生器1-8 kV放電電流波形

圖5 發(fā)生器2+8 kV放電電流波形

圖6 發(fā)生器2-8 kV放電電流波形

2.2 濕度對重復(fù)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(yàn)重復(fù)性影響較大的環(huán)境因素是濕度。在高濕度環(huán)境中，由于物體表面吸附有一定數(shù)量的離子的水分子，形成弱導(dǎo)電的濕氣薄層，提高了絕緣體的表面電導(dǎo)率，可將靜電荷擴(kuò)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(fù)性的影響

假設(shè)靜電放電發(fā)生器電量為Q，靜電放電發(fā)生器與受試設(shè)備之間的電容為c，靜電放電發(fā)生器與受試設(shè)備之間的電勢差為U，靜電放電發(fā)生器與受試設(shè)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(fā)生器與受試設(shè)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(dǎo)數(shù)，得到電勢差隨時間的變化率與靜電放電發(fā)生器接近受試設(shè)備速度相關(guān)的公式。接近速度對靜電放電 發(fā)生器與受試設(shè)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(yàn)的結(jié)果造成差異，對試驗(yàn)重復(fù)性有影響。

3 結(jié)束語

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

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

（2）在進(jìn)行試驗(yàn)前，應(yīng)按照GB/T 17626.2的要求對靜電放電發(fā)生器進(jìn)行校驗(yàn)，并記錄校驗(yàn)數(shù)據(jù)。確認(rèn)靜電放電發(fā)生器的波形參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求和本次校驗(yàn)數(shù)據(jù)與前次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否存在較大的差異。

（3）氣放電的場景中，放電頭應(yīng)當(dāng)盡量迅速觸及相關(guān)的受試器材。