电磁兼容EMC

静电放电ESD

1.静电放电抗扰度测试
      GB/T17626.2国内静电放电标准描述的是在低湿度环境下,通过摩擦使人体带电.带了电的人体,在与设备接触过程中就可能对设备放电.静电放电抗扰度试验模拟了两种情况:⑴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;⑵设备操作人员在触摸邻近设备时,对所关心这台设备的影响.
      其中前一种情况称为直接放电(直接对设备放电);后一种情况称为间接放电(通过对邻近物体的放电,间接构成对设备工作的影响).静电放电可能造成的后果是:
      ⑴通过直接放电,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.
      ⑵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,造成设备的误动作.

 

2.静电放电抗扰度测试引用标准:

YY0505

GB/T 18268
GB 4824
EN55024
EN61547

 

3.静电放电抗扰度测试概述

静电放电抗扰度试验(ESD)的国家标准为GB/T17626.2(等同于国际标准IEC61000-4-2) 。

     静电放电(ESD)是一种自然现象,经验表明,人在合成纤维的地毯上行走时,通过鞋子与地毯的摩擦,只要行走几步,人体上积累的电荷就可以达到10-6库仑以上(这取决于鞋子与地毯之间的电阻),在这样一个"系统"里(人/地毯/大地)的平均电容约为几十至上百pF,可能产生的电压要达到15kV.研究不同的人体产生的静电放电,会有许多不同的电流脉冲,电流波形的上升时间在100ps至30ns之间.电子工程师们发现,静电放电多发生于人体接触半导体器件的时候,有可能导致数层半导体材料的击穿,产生不可挽回的损坏.静电放电以及紧跟其后的电磁场变化,可能危害电子设备的正常工作。   

 

4.静电放电抗扰度测试定义:
4.1 降低degradation(of  performance)
装置 设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏离
4.2 电磁兼容性(EMC) electromagnetic  compatibility
设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁   骚扰的能力
4.3 抗静电材料 antistatic discharge
在同种材料或与类似材料相互磨擦或分离时,具有产生电荷量最小的材料
4.4 储能电容器  energy storage capacitor
静电放电发生器中的电容器,用以代表人体充电至试验电压值时的电容量,它可以分立元件或分布电容
4.5 ESD  electrostatic discharge
静电放电
4.6 EUT  equipment under test
受试设备
4.7 接地参考平面(GRP)ground reference plane
一块导电平面,其电位用作公共参考电位
4.8 耦合板  coupling plane
一块金属片或金属板,对其放电用来模拟对受试设备附近物体的静电放电
HCP: 水平耦合板;        VCP :垂直耦合板
4.9 保持时间  holding time 
放电之前,由于泄漏而使试验电压下降不大于10%的时间间隔
4.10 静电放电  electrostatic  discharge ;ESD
具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移
4.11 抗扰度 immunity (of disturbance)
装置 设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力
4.12 接触放电方法  contact  discharge  method
试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法
4.13 空气放电方法  air  discharge method 
将试验发生器的充电电极靠近受试设备,并由火花对受试设备受试设备激励放电的一种试验方法
4.14直接放电  direct  application  
直接对受试设备实施放电
4.15间接放电  indirect  application
对受试设备附近的耦合板实施放电,以模拟人员对受试设备附近的物体的放电

 

5.静电放电抗扰度试验等级:
接触放电是优先选择的试验方法,空气放电则用在不能使用接触放电的场合,每种试验方法的电压列于表1中,由于试验方法的差别,每种方法所示的电压是不同的.两种试验方法的严酷程度并不表示相等的
1a接触放电 1b空气放电
等级 试验电压KV 等级 试验电压KV
1 2 1 2
2 4 2 4
3 6 3 8
4 8 4 15
* 特殊 * 特殊

 

6.静电放电抗扰度试验发生器:
试验发生器主要包括:
充电电阻R;储能电容器Cs;分布电容Cd;放电电阻Rd;
电压指示器;放电开头;可更换的放电电极头;放电回路电缆;电源装置
6.1 静电放电发生器的特性
规范:
--------储能电容 (Cs+Cd) 150pF±10%
--------放电电阻(Rd) 330ohm;±10%
-------充电电阻(Rc) 50Mohm;与100Mohm;之间
-------输出电压 接触放电 8KV ;空气放电 15KV
-------输出电压示值的容许偏差 ±5%
-------输邮电压极性 正和负性
-------保持时间 至少5S
-------放电,操作方式 单次放电
试验发生器中放电回路的电缆一般长为2m,其构成应使发生器满足波形的要求,它应有足够的绝缘以防止在静电放电电流不通过其端口而流向人员或导电表面
6.2 静电放电发生器特性的校验
波形参数 :
等级 1 2 3 4
指示电压KV 2 4 6 8
放电的第一个峰值电流(±10%)A 7.5 15 22.5 30
放电开头操作时的上升时间tr ns 0.7~1 0.7~1 0.7~1 0.7~1
在30ns时的电流 (±10%) A 4 8 12 16
在60ns时的电流 (±30%) A 2 4 6 8

 

7.静电放电抗扰度测试配置
A) 对导电表面和对耦合平面的接触放电;
B) 在绝缘表面上空气放电.
7.1 实验室试验的配置
实验室的地面应设置接地参考平面,它应是一种最小厚度为0.25mm铜或铝的金属薄板,其他金属虽可使用但它们至少有0.65mm的厚度.
接地参考平面的最小尺寸为1*1m,实际尺寸取决于受试设备的尺寸,而且每边至少应伸出受试设备或耦合板之外0.5m,并将它与保护接地系统相连.
耦合板应采用和接地参考平面相同的金属和厚度,而且经过每端设置一个470Ω的电阻电缆与接地参考平面连接,当电缆置于接地参考平面上时,这些电阻器应能耐受住放电电压且具有良好的绝缘,以避免对接地参考平面的短路.
7.1.1 台式设备
试验配置包括一个放在接地参考平面上的0.8m高的木桌
放在水平耦合板(HCP)面积为1.6m*0.8m,并用一个厚0.5mm的绝缘衬垫将受试设备和电缆与耦合板隔离.
若EUT过大而不能保持与水平耦合板各边的最小距离为0.1m,则应使用另一块相同的水平耦合板,并与第一块短边侧距离0.3m.但此时必须将桌子扩大或使用二个桌子,这些水平耦合板必焊在一起,而经过另一根带电阻电缆接到接地参考平面上
7.1.2落地式设备
受试设备与电缆用厚度约0.1m的绝缘支架与接地参考平面隔开.

 

8.静电放电抗扰度试验程序
8.1 气候条件:
  -------环境温度: 15℃~35℃
  -------相对湿度: 30%~60%
  -------大气压力: 86Kpa~106Kpa
8.2 受试设备的考核
8.3试验的实施
8.3.1对受试设备直接施加的放电
    静电放电仅施加于操作人员正常使用受试设备时可能接触的点和表面上.
为了确定故障的临界值,试验电压应从最小值到选定的试验电压值逐渐增加,最后的试验值不应 超过产品的规范值,以避免损坏设备.
试验应以单次放电的方式进行.在预选点上,至少施加十次单次放电(最敏感极性)
连续单次放电之间的时间间隔建议至少1S,但为了确定系统是否会发生故障,可能需要较长的间隔.
静电放电发生器应保持与实施放电的表面垂直,以改善试验结果的可重复性
在实施放电的时候,发生器的放电回路电缆与受试设备的距离至少为0.2m.
在接触放电的情况下,放电电极的顶端应在操作放电开头之前接触受试设备.
对于表面涂漆的情况,应采用以下的操作程序:
如设备制造厂家未说明漆膜为绝缘层,则发生器的电极头应穿入漆膜,以便与导电层接触,如厂家指明漆膜是绝缘层,则应只进行空气放电.这类表面不应进行接触放电试验.
在空气放电的情况下,放电电极的圆形放电头应尽可能地接近并重新触及受试设备,每次放电之后,应将静电放电发生器的放电电极从受试设备移开,然后重新触发发生器,进行新的单次放电,这个程序应当重复至放电完成为止,在空气放电试验的试验情况下,用作接触放电的放电开头应当闭合.
8.3.2 间接施加的放电
8.3.2.1 在受试设备下面的水平耦合板
在受试设备每侧的一些点上,至少对水平耦合板施加10次单次放电
在放电电极触及耦合板的情况下,应将静电放电发生器垂直地置于与受试设备为0.1m处.
8.3.2.2 垂直耦合板
对耦合板的一个垂直边的中心至少施加十次单次放电,应将尺寸为0.5m*0.5m的耦合板平行于受试设备放置且与其保持0.1m的距离.
放电应施加在耦合板上,通过调整耦合板位置,使受试设备四面不同的位置都受到放电试验.


9.静电放电抗扰度测试的模拟

      高压真空继电器是目前唯一能产生重复和高速放电波形的器件.线路中的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.从放电电流波形(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)可以预见它含有极其丰富的谐波成分,因此它加大了试验的严酷程度.      

作为对静电放电发生器的校核(这是确保采用不同品牌放电发生器试验结果可比性与重复性的关键),标准要求在4个不同电压下进行测量,测量中要用带宽至少为1GHz的示波器.

10. 静电放电测试中的放电方式

      静电放电试验有直接和间接两种.标准规定直接放电以接触放电为首选方式,只有在不能用接触放电的地方才改用气隙放电.
对间接放电,标准中是用金属板来模拟被试设备附近的放电物体.由于是金属板,对间接放电无一例外是采用接触放电为首选的放电方式.
      标准之所以用接触放电为首选的放电方式,是因为经历了IEC61000-4-2标准的前身IEC801-2标准执行过程中暴露出来的不足.IEC801-2标准以气隙放电为其唯一的放电方式,标准执行中发现这种放电方式的测试结果重复性和可比性都比较差.造成这种情况的主要原因是气隙放电的放电电流波形受制于下列因素:
      ①放电电极接近被试设备的速度;
      ②被测设备表面的形状对电极场强分布的影响;
      ③环境(如温度,湿度和气压)对放电的影响;
      ④放电电压对放电电流波形频谱的影响(例如,8kV的放电电流上升时间典型值为1ns~5ns;高于8kV的电流上升时间可能达到5~30ns).
      此外,在IEC801-2:1984标准中采用气隙放电为唯一放电方式,还和当时找不到合适的测量仪器有关(示波器的带宽还不足以观察到上升速率为1ns的波形).

      气隙放电对测试结果带来的种种弊病,在1991年出版的IEC801-2标准草案中得到改正,草案决定用接触放电为首选放电方式.仍保留气隙放电作为对非导电性表面的设备(如塑料机箱,或表面复有绝缘物的金属外壳)的试验方式.这种情况一直延续到IEC61000-4-2标准的颁布.

11. 静电放电实验室的型式测试
      静电放电分实验室的型式测试和现场测试两种,标准规定,实验室的型式试验是设备鉴定和认证唯一采用的试验方式.现场试验则受制于现场环境,主要用于现场情况摸底,而不能作为鉴定试验.现场试验要征得用户和制造商双方一致同意后才能进行.

Ⅰ. 静电放电测试配置
      由于静电放电的电流波形十分陡峭,前沿己经达到0.7~1ns,其包含的谐波成分至少要达到500MHz以上,因此试验室里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.配置可以由用户自行制作,标准对此作出了规定,归结起来有以下几点:
      (1)参考接地板采用0.25mm以上铜板或铝板(铝板易氧化,慎用).如用其他金属,厚度至少是0.65mm以上.参考接地板实际尺寸不限,要求四周均超出被试设备(指地面设备)或试验桌台面水平耦合板(用于台式设备)的每边0.5m以上.参考接地板要和试验室的保护接地线相连.
      (2)水平耦合板(仅台式设备有)和垂直耦合板(后者有绝缘支架)的材料与参考接地板相同.两块耦合板各有一根两端接有470kΩ电阻的电缆线与参考接地板相连,以便泄放试验中静电电荷.要求所用电阻有承受放电的能力;整个电缆有绝缘保护,避免与接地板短路.
      (3)对台式设备,在水平耦合板上覆一块0.5mm的绝缘薄板,要求试验中此板不明显积聚电荷.在台式设备试验中,水平耦合板至少比试品的每一边大出0.1m.如试品太大,要么选用更大的试验台;要么选用两张同样的试验台来摆放试品,桌面上的水平耦合板不必焊在一起,而可以在两张桌子的并合处覆一块同样材质的金属,只要各压住每个桌面0.3m以上即可.但要求两张桌子的水平耦合板用电阻线分别与参考接地板相连.
      (4)对地面设备,在参考接地板上要有一个0.1m高的绝缘支座,试品和试品电缆放在绝缘支座上.
      (5)所有连接线(包括参考接地板的接地电缆;耦合板上的带电阻的连接电缆;以及放电枪接到参考接地板上的接地回线等)都必须保持低阻抗的连接.
      (6)其他应注意的地方
      A.在距试品1m以内应无墙壁和其他金属物品(包括仪器).
      B.试验中的试品要尽可能按实际情况布局(包括电源线,信号线和安装脚等等).接地线要按生产厂的规定接地(没有接地线的就不接),不允许有额外的接地线.
      C.放电时,放电枪的接地回线与试品表面至少保持0.2m的间距,避免相互间有附加感应,影响试验结果.
Ⅱ. 静电放电测试方法
      标准规定,凡被试设备正常工作时,人手可以触摸到的部位,都是需要进行静电放电试验的部位(这样的部位,除机壳以外,其他如控制键盘,显示屏,指示灯,旋钮,钥匙孔,电源线等都在考核范围内).
试验时,被试设备处在正常工作状态.
试验正式开始前,试验人员对试品表面以20次/秒的放电速率快速扫视一遍,以便寻找试品的敏感部位(凡扫视中有引起试品数显跳动,动作异常迹象的部位,都作为正式试验时的重点考查部位,应记录在案,并在正式试验时应在其周围多增加几个考查点).
正式试验时,放电以1次/秒的速率进行(也有规定为1次/5秒的产品),以便让试品来得及作出响应.通常对每一个选定点上放电20次(其中10次是正的,还有10次是负的).

原则上,凡可以用接触放电的地方一律用接触放电.对有镀漆的机壳,如制造厂未说明是作绝缘的,试验时便用放电枪的尖端刺破漆膜对试品进行放电.如厂家说明是做绝缘使用时,则改用气隙放电.对气隙放电应采用半圆头形的电极,在每次放电前,应先将放电枪从试品表面移开,然后再将放电枪慢慢靠近试品,直到放电发生为止.为改善试验结果的重复性和可比性,放电电极要垂直试品表面
间接放电:
      ①对水平耦合板,放电枪垂直地在离开试品0.1m处用接触放电方式进行放电.
      ②对垂直耦合板,耦合板应放在离试品0.1m处,放电枪要垂直于耦合板一条垂直边的中心位置上进行放电.对试品垂直方向的四个面都要用垂直耦合板做间接放电试验.

12. 静电放电现场测试
      现场测试是设备在安装条件下进行的试验.通常是设备在现场受挫后,作为摸底,由制造商和用户协商后进行的试验.

现场测试的布置,为了便于静电放电枪的接地回线电缆的连接,应将参考接地板铺设在地面上,并保持与试品及其系统0.1m的距离.参考接地板的材料和厚度都与实验室配置的要求相同.在条件允许的情况下,接地板的尺寸为0.3m×2m.参考接地板与现场的安全地相连,或连接在试品及其系统的接地端子上.发生器的接地回线接在靠近试品及其系统放电点的参考接地平面上.
当试品及其系统安装在金属桌子上时,而金属桌子又未与现场的安全地连接时,则应将金属桌子通过一根两端带有470kΩ的电阻线接到参考接地平面上,以防止静电积累.

13. 静电放电测试等级

      标准将试验等级分成四级:对接触放电分别设为2kV,4kV,6kV和8kV;对气隙放电分别设为2kV,4kV,8kV和15kV。
试验等级的选择与环境因素有关(环境越干燥,试验电压等级也越高).但对一台具体的产品来说,往往已在相应的产品族标准或产品标准试中给出(连同试品的合格评定准则也一并给出)。

14. 静电放电测试标准点评

      ①标准之所以用接触放电作为放电的首选方式,是因为接触放电的不确定因素较少。
      ②接触放电有着极其陡峭的上升时间,因此放电电流波形中包含了极其丰富的谐波成分,即使选择比较低的试验电压,也能取得比同样等级中电压较高的气隙放电有更加严格的测试结果。