静电放电抗扰度试验与重复性研究

王文俭，刘 巍，弓 健

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 静电放电抗扰度介绍

1.1 静电放电原理

静电放电（ESD，Electrostatic Discharge）即两个有不同静电电位的物体，因为实际产生的直接接触或者是静电场感应等机制，进一步导致两个物体间的静电电荷产生了特殊的转移现象，静电电场实际能量提升至特定程度之后，产生了对于介质的击穿效果并放电的状况即可称作是静电放电[1]。ESD在对地短接物体出现于静电场的时候会产生，两大物体间的电位差会造成放电电流，传递相应电量来实现抵消特定电位差的效果，这一传递程序即可称作是ESD[1]。该过程中会形成潜在的破坏电压、电流与电磁场等变化，ESD产生较为强大的尖

峰脉冲电流，此类电流之中存在较多的高频成分，上限频率可根据已有数据可大于1 GHz，实际数据受限于电平、相对湿度等多个信息，该频率中，典型设备电缆乃至于印制板之上产生的走线，会转化为极为有效的接收天线，所以，针对典型模拟又或是数字电子设备而言，ESD更为侧重于感应相关高电平的特殊噪音，其会造成电子设备出现重大地损坏又或是操作失常等问题[1]。

1.2 静电放电发生器的特性

静电放电发生器应满足表1和表2中的规范。

表1 通用规范

表2 接触放电电流波形参数

1.3 静电放电抗扰度试验

为保证实验室的电磁环境不影响测试结果，建议在屏蔽室中进行静电放电抗扰度试验，气候条件应满足以下要求：

环境温度：15°～35°；相对湿度：30%～60%；大气压力86 kPa～106 kPa[2]。在实验环境中，地面应当有相应的接地参考平面，其作为最低厚度数据是0.25 mm的铜或铝的薄板，其他金属材质尽管也可满足基本的运用需求，但是其他物质实际厚度数据相对偏大，至少为0.65 mm的厚度，接地参考平面的相应每边，需要伸出相关的受试设备或者是耦合板（适用时）外0.5 m，同时将其和保护接地设施进行连接，受试器材和实验室墙壁以及相关金属结构间的实际距离数据最低为0.8 m[3]。

台式设备与落地式设备布置见图1、图2。

图1 台式设备布置图

图2 落地式设备布置图

通常情况下，仅对正常使用时受试设备上可接触到的点和面进行静电放电抗扰度试验。每次放电之间的时间为1 s。静电放电发生器垂直于受试设备的表面，提高了试验可重复性。如果静电放电发生器不能垂直于受试设备的表面，则应把实际情况记录在报告之中。应按照GB/T 17626.2对受试设备进行接触放电或者是空气放电。在实际进行放电处理的情况下，放电回路电缆和受试器材之间的实际距离数据应当大于等于0.2 m，同时进行实验操作的人员禁止手持放电回路电缆[3]。

实际得出的试验结果，需要参考相关受试器材在试验场景之中所产生的功能丧失，又或是性能下降的具体状况开展划分工作，此类分类处理可由负责有关产品的通用、产品以及产品类标准的委员会，作为明确相关功能准则的可靠指南文件，在没有合适的通用、产品或产品类标准时，可作为制造商和购买方协商的性能规范的框架[3]。

2 影响重复性的主要因素

2.1 静电放电发生器对重复性的影响

依据GB/T 17626.2，与静电放电发生器规范有关的，可能导致复现性问题的原因是：在第一个峰值后发生器产生的放电电流波形，例如2 ns～60 ns；当静电放电施加到受试设备上时发生器产生的辐射电场。

第一个原因由标准维护工作组处理，并规定与2ns～60ns的理想波形可有±35%的容差。在此标准的制定中，放电电流规范的潜在变化被进一步调整为控制第一个峰值下降到初始峰值的60%的时间为（2.5±1）ns。

在3个不同的实验室，对不同受试设备使用两种类型的发生器进行一系列测试，一种发生器符合GB/T 17626.2，另一种类型增加了上述提到的规范，每种类型的5个不同的发生器由5个不同制造商提供。

修改的静电放电发生器一系列测试的结果总结如下：一是使用不同的静电放电发生器进行测试时，所关注的受试设备受到影响的试验电平有所不同；二是在时域和频域中，修改的放电波形的确改善了放电电流波形；三是然而新的波形没有给实际受试样品测试结果的复现性带来任何显著改善。

表3、表4为两台静电放电发生器的波形参数，图3～图6分别为两台静电放电发生器±8 kV放电电流波形。虽然两台静电放电发生器都符合GB/T 17626.2，但是放电电流波形存在着巨大差异。在其他试验条件一致的情况下，使用这两台静电放电发生器分别对若干个受试设备进行试验，基于试验数据得出运用满足需求的多种发生器进行试验对重复性有影响。

表3 放电电压

表4 放电电流

图3 发生器1+8 kV放电电流波形

图4 发生器1-8 kV放电电流波形

图5 发生器2+8 kV放电电流波形

图6 发生器2-8 kV放电电流波形

2.2 湿度对重复性的影响

大气压力、温度与湿度等条件都会影响空气的密度、电子自由形成长度、碰撞电离及附着过程，其中对静电放电抗扰度试验重复性影响较大的环境因素是湿度。在高湿度环境中，由于物体表面吸附有一定数量的离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷扩散到整个材料的表面，从而使静电势降低。

2.3 接近速度对重复性的影响

假设静电放电发生器电量为Q，静电放电发生器与受试设备之间的电容为c，静电放电发生器与受试设备之间的电势差为U，静电放电发生器与受试设备之间的距离为d。电容c的大小与距离d成反比，则c=A/d，式中，A为除距离d以外的其他分量。得到静电放电发生器与受试设备之间的电势差为：U=Q/c =（Q/A）d。等式左右两边对时间求导数，得到电势差随时间的变化率与静电放电发生器接近受试设备速度相关的公式。接近速度对静电放电 发生器与受试设备之间的电势差的变化率有直接影响。接近速度的大小会对试验的结果造成差异，对试验重复性有影响。

3 结束语

综上所述，影响静电放电抗扰度重复性的因素包括静电放电发生器、湿度及接近速度。为了能够改善静电放电抗扰度重复性，建议如下：

（1）建议在屏蔽室中进行静电放电抗扰度试验。屏蔽室不仅可以保证试验不受周围电磁环境噪声的干扰，而且通过屏蔽室的空调系统可以最大程度的保持气候条件的稳定性。

（2）在进行试验前，应按照GB/T 17626.2的要求对静电放电发生器进行校验，并记录校验数据。确认静电放电发生器的波形参数是否符合标准的要求和本次校验数据与前次检验数据是否存在较大的差异。

（3）气放电的场景中，放电头应当尽量迅速触及相关的受试器材。