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静电放电抗扰度试验【电磁兼容EMC原理设计与故障排除】

时间：2023-12-19 02:40:32

笔者电子信息专业硕士毕业，获得过多次电子设计大赛、大学生智能车、数学建模国奖，现就职于南京某半导体芯片公司，从事硬件研发，电路设计研究。对于学电子的小伙伴，深知入门的不易，特开次博客交流分享经验，共同互勉！全套资料领取扫描文末二维码！

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静电放电抗扰度试验的国家标准为GB/T 17626.2（等同于国际标准IEC 61000-4-2）。

一、试验目的

静电放电是一种自然现象，当两种不同介电强度的材料相互摩擦时，就会产生静电电荷（摩擦起电原理）。如果其中一种材料上的静电荷积累到一定程度，并与另外一个物体接触时，就会通过这个物体到大地的阻抗进行放电。当设备发生接触或空气放电后，附着在设备机壳上的电荷会通过设备机箱上的孔缝与设备内部电路板或元器件间发生二次放电。因为设备内部电路板或元器件的阻抗较小，所以二次放电的危害有可能比一次放电更大。静电放电及其影响是电子设备的一个主要干扰源。

由于静电的存在，人体几乎成了对电子设备或爆炸性材料的最大危害。静电放电多发生于人体接触半导体器件时，有可能导致半导体材料击穿，产生不可逆转的损坏。静电放电及由此产生的电磁场变化可能危害电子设备的正常工作。

静电放电抗扰度试验模拟了以下两种情况：

① 设备操作人员直接触摸设备时对设备的放电和放电对设备工作的影响（直接放电）。

② 设备操作人员在触摸附近设备时，对所关心的设备的影响（间接放电）。

静电放电可能造成的后果是：

① 直接放电可引起设备中半导体器件的损坏，从而造成设备的永久性失效。

② 设备的误动作，这是由放电（可能是直接放电，也可能是间接放电）而引起的近场电磁场变化造成的。

二、主要试验设备及必备条件

如图2-10所示为静电放电模拟器的基本线路及放电电流波形。

图2-10 静电放电模拟器的基本线路及放电电流波形

高压真空继电器是目前唯一能产生高速和重复放电波形的器件。电路中的150pF电容代表人体的储能电容，330Ω电阻代表人体在手握钥匙和其他金属工具时的人体电阻。标准认为用这种人体放电模型（包括电容量和电阻值）来描述静电放电是足够严酷的。

图中的放电电流波形（标准规定是放电电极对作为电流传感器的2Ω电阻接触放电时的电流波形）含有的谐波成分极其丰富，因此加大了试验的严酷程度。

三、试验方法及试验配置

试验室里的试验配置的规范性是保证试验结果重复性和可比性的一个关键因素，这是因为静电放电的电流波形十分陡峭，其前沿已经达到0.7～1ns，包含的谐波成分至少达到500MHz以上。

1、直接放电

标准规定，凡受试设备正常工作时，人手可以触摸到的部位都要进行静电放电试验（这样的部位，除机箱以外，其他如控制键盘、按钮、指示灯、钥匙孔、显示屏等都在试验范围内）。

试验时，受试设备处在正常工作状态。试验正式开始前，试验人员对受试设备表面以20次/s的放电速率快速扫视一遍，以便寻找受试设备的敏感部位（凡扫视中有引起受试设备数显跳动、声光报警、动作异常等迹象的部位，都作为正式试验时的重点考查部位，应记录在案，并在正式试验时在其周围多增加几个考查点）。正式试验时，为了使受试设备来得及做出响应，放电以1次/s的速度进行（也有规定为1次/5s的产品）。一般对每一个选定点上放电20次（其中10次正的，10次负的）。

原则上，凡可以采用接触放电的地方一律采用接触放电。对涂漆的机箱，如制造厂商没有说明是作为绝缘用的，试验时便用放电枪的尖端刺破漆膜对受试设备进行放电。如厂家说明是作为绝缘使用，则应改用空气放电。对空气放电应采用半圆头形的放电电极，在每次放电前，应先将放电枪从受试设备表面移开，然后将放电枪慢慢靠近受试设备，直到放电完成为止。

为改善试验结果的重复性和可比性，放电电极应与受试设备表面垂直。

除非在通用、专用产品或是产品族标准中另有规定，静电放电仅仅施加在受试设备正常使用中可以触及的点和面上。但下述情况被排除在外（换言之，对这些项目不进行放电）：

① 对于只有在维护时才能触及的点和面。在这种情况下，应在相应的文件中特别规定静电放电的简化试验。

② 只有最终用户检修时才能触及的点和面。例如对下述这些很少触及的点：在更换电池时触及的电池触点，录音电话的磁带盒等。

③ 对于在安装使用后不再触及的点和面。例如，设备的底部及靠墙壁的一侧和适配连接器的后面。

④ 同轴及多芯连接触点。因为它们都有一个金属的连接器外壳，在这种情况下，接触放电仅仅施加在连接器的金属外壳上。

⑤ 对非导电外壳（如塑料的）连接器中可接触到的触点，只采用空气放电来做试验。应当在静电放电发生器上采用圆头电极来做这个试验。

通常要考虑表2-6所示的6种情况。

表2-6 6种试验情况

① 如果产品（线产品族）标准要求对绝缘外壳连接器的有关触点进行试验，则应采用空气放电。注：对于用涂层提供连接器触点屏蔽的情况，应该在涂层线设备靠近安装采用涂层连接器的地方给出静电的警告标识。

⑥ 由于功能的原因，对于那些对静电放电敏感的连接器的触点或其他可以触及部分，如测量、接收或其他通信功能的射频输入端，应采用静电放电的警告标识。

这是因为，许多连接器端口是用来处理模拟或数字高频信号的，因此不能提供有足够过电压保护能力的器件。在模拟信号的情况下，选用带通滤波器或许是一种解决方案。至于过电压保护二极管，由于寄生电容过大，因此对受试设备所采用的工作频率是不利的。

在上述所有情况中，要在相应的文件中推荐专门的受试设备简化试验。

2、间接放电

间接放电即对耦合板进行放电。至于对水平耦合板的放电，要在水平方向对水平耦合板的边进行，如图2-11所示。

在朝向EUT每一单元（若适用）的中心点且与EUT前端相距0.1m处的水平耦合板前缘处，以最敏感的极性，至少做10次单次放电。放电时，放电电极的长轴要处在水平耦合板的平面里且垂直于它的前缘。放电电极要与水平耦合板的边缘相接触。另外，要考虑对EUT所有的暴露面做这个试验。图2-11所示是台式和落地设备的试验配置与放电位置示例。

图2-11 台式和落地设备的试验配置与放电位置示例

VCP —垂直耦合板；HCP —水平耦合板

3、注意事项

在距受试设备1m以内应无墙壁和其他金属物品（包括仪器）。

试验中受试设备要尽可能按实际情况布局（包括电源线、信号线和安装脚等）。接地线要按生产厂商的规定接地（没有接地线就不接），不允许有额外的接地线。

放电时，放电枪的接地回线与受试设备表面至少保持0.2m的间距，避免相互间有附加感应，从而影响试验结果。

4、不接地设备的试验

这里所描述的试验适合在安装说明或设计中已规定不与任何接地系统连接的设备或设备部件所采用。这里的设备或部件包括便携式的、电池供电的和双重绝缘的设备（Ⅱ类设备）。

基本原理是：不接地的设备或设备中不接地的部件不像Ⅰ类由电网供电的设备那样进行放电，如果在下一次ESD脉冲施加之前不能将电荷释放，就有可能使设备或设备部件达到所施试验电压的两倍。因此在Ⅱ类绝缘的设备电容里积累了几次ESD后，双重绝缘的设备可能被不切实际地充电至很多的电荷，最终以非常高的能量在绝缘体的击穿电压点上放电。

为了模拟单次放电（无论是空气放电，还是接触放电），受试设备上的电荷应在每次施加静电放电脉冲之前先行释放。以连接器的外壳、电池的充电端子、金属的天线为例，应当在每次施加静电放电试验脉冲时先行释放掉在需要施加静电放电的金属点或部位上的电荷。例如采用在水平和垂直耦合板上释放电荷的类似方法，即能对带有470kΩ泄放电阻的电缆进行放电。

由于在受试设备与水平耦合板（用于台式设备）及受试设备与参考接地板（用于地面设备）之间的电容取决于受试设备尺寸，若功能允许，在静电放电试验时可能保留带泄放电阻的电缆安装。在放电电缆中，一个电阻要尽可能地靠近EUT上的试验点，最好小于20mm；另一个电阻接在电缆线的末端附近，与水平耦合板（对台式设备）或参考接地板（对地面设备）相连。台式、地面不接地设备的试验见图2-12。

图2-12 台式、地面不接地设备的试验

试验中，带泄放电阻的电缆的存在，可能会影响某些设备的试验结果。如果有争议的话，在试验期间可先卸掉电缆，再做试验，在一次放电试验结束后，再把电缆装上去，以便在两次连续放电之间使电荷有足够的衰减。

上述方法的主要缺点是操作过于麻烦。作为替代，可采用下述方案：

① 将两次连续放电之间的时间间隔加长，达到让受试设备上的电荷自然衰减到允许值所需的时间。

② 在接地电缆上采用带泄放电阻（如2×470kΩ）的碳纤维刷子。

③ 在试验环境里采用空气-离子发生器来加速受试设备的“自然”放电过程。

针对最后一种替代方案，在做空气放电试验时，离子发生器应关闭，避免放电枪头上的电荷离子发生器产生的离子中和。

上述任何一种替代方法的使用都要反映在试验报告里。对于电荷衰减的争议，受试设备上的电荷可以用一台非接触的电场计来监视。当电荷衰减到初始值的10%以下时，则认为受试设备已经放电。

放电时，静电放电发生器的电极应保持在正常的垂直于受试设备表面的位置。