电磁兼容静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击

 

4.2 静电放电抗扰度测试常见问题对策及整改措施

 

4.2.1 静电放电形成的机理及其对电子产品的危害

 

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

 

静电源跟其它物体接触时，存在着电荷流动以抵消电压，这个高速电量的传送，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，这就是静电放电。

 

在电子产品的生产和使用过程中，操作者是最活跃的静电源，可能积累一定数量的电荷，当人体接触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。静电放电一般用ESD 表示。

 

触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。静电放电一般用ESD 表示。

 

ESD 会导致电子设备严重地损坏或操作失常。

 

大多数半导体器件都很容易受静电放电而损坏，特别是大规模集成电路器件更为脆弱。

 

静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。

 

ESD 两种主要的破坏机制是：由于ESD 电流产生热量导致设备的热失效；由于ESD 感应出高的电压导致绝缘击穿。

 

除容易造成电路损害外，ESD 也会对电子电路造成干扰。ESD 电路的干扰有二种方式。

 

一种是传导方式，若电路的某个部分构成了放电路径，即ESD 接侵入设备内的电路，ESD 电流流过集成片的输入端，造成干扰。

 

ESD 干扰的另一种方式是辐射干扰。即静电放电时伴随火花产生了尖峰电流，这种电流中包含有丰富的高频成分。从而产生辐射磁场和电场，磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。该干扰电动势很可能超过逻辑电路的阀值电平，引起误触发。辐射干扰的大小还取决于电路与静电放电点的距离。ESD 产生的磁场随距离的平方衰减。。ESD 产生的电场随距离立方衰减。当距离较近时，无论是电场还是磁场都是很强的。ESD 发生时，在附近位置的电路一般会受到影响。

 

ESD 在近场，辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式，取决于ESD 源和接受器的阻抗。在远场，则存在电磁场耦合。

 

与ESD 相关的电磁干扰（EMI）能量上限频率可以超过1GHz。在这个频率上，典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而，对于典型的模拟或数字电子设备，ESD 会感应出高电平的噪声。

 

一般来说，造成损坏，ESD 电火花必须直接接触电路线，而辐射耦合通常只导致失常。

 

在ESD 作用下，电路中的器件在通电条件下比不通电条件下更易损坏。

 

4.2.2 电子产品的静电放电测试及相关要求

 

对不同使用环境、不同用途、不同 ESD 敏感度的电子产品标准对静电放电抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于ESD 抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.2-1998 （idt IEC 61000-4-2:1995）：《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。

 

4.2.2.1 试验对象：

 

该标准所涉及的是处于静电放电环境中和安装条件下的装置、系统、子系统和外部设备。

 

4.2.2.2 试验内容：

 

静电放电的起因有多种，但该标准主要描述在低湿度情况下，通过摩擦等因素，使操作者积累了静电。电子和电气设备遭受直接来自操作者的静电放电和对临近物体的静电放电时的抗扰度要求和试验方法。

 

4.2.2.3 试验目的：

 

试验单个设备或系统的抗静电干扰的能力。它模拟：（1）操作人员或物体在接触设备时的放电。（2）人或物体对邻近物体的放电。

 

4.2.2.4 ESD 的模拟：

 

放电线路中的储能电容CS 代表人体电容，现公认150pF 比较合适。放电电阻Rd 为330Ω，用以代表手握钥匙或其他金属工具的人体电阻。现已证明，用这种放电状态来体现人体放电的模型是足够严酷的。

 

4.2.2.5 试验方法

 

该标准规定的试验方法有两种：接触放电法和空气放电法。

 

接触放电法：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。

 

空气放电法：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激励放电的一种试验方法。

 

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中。

 

4.2.2.6 试验等级及其选择：

 

试验电平以最切合实际的安装环境和条件来选择，表1 提供了一个指导原则。表1 同时也给出了静电放电试验等级的优先选择范围，试验应满足该表所列的较低等级。

 

 

 

4.2.2.7 试验环境

 

对空气放电该标准规定了环境条件：

 

环境温度：15℃~35℃、相对湿度：30%~60%RH、大气压力：86kPa~106kPa

 

对接触放电该标准未规定特定的环境条件。

 

4.2.2.8 试验布置

 

标准对试验布置也做出了详细的规定，图 13 所示为台式设备的试验布置示意图。

 

4.2.2.9 试验实施

 

实施部位：直接放电施加于操作人员在正常使用受试设备时可能接触到的点或面上；间接放电施加于水平耦合板和垂直耦合板。

 

直接放电模拟了操作人员对受试设备直接接触时发生的静电放电情况。

 

间接放电则是对水平耦合板和垂直耦合板进行放电，模拟了操作人员对放置于或安装在受试设备附近的物体放电时的情况。

 

直接放电时，接触放电为首选形式；只有在不能用接触放电的地方（如表面涂有绝缘层，计算机键盘缝隙等情况）才改用气隙（空气）放电。

 

间接放电：选用接触放电方式。

 

试验电压要由低到高逐渐增加到规定值。

 

不同的产品或产品族标准对试验的实施可能根据产品的特点有特定的规定。

 

 

4.2.2.10 试验结果

 

若静电放电测试通不过，可能产生如下后果：

 

（1）直接通过能量交换引起半导体器件的损坏。

 

（2）放电所引起的电场与磁场变化，造成设备的误动作。

 

4.2.3 电子产品的静电放电对策及改进要点

 

有很多办法减小 ESD 产生的电磁干扰（EMI）影响电子产品或设备：完全阻止ESD 产生，阻止EMI（本文中专指因ESD 产生的EMI）耦合到电路或设备以及通过设计工艺增加设备固有的ESD 抗扰性。

 

ESD 通常发生在产品自身暴露在外的导电物体，或者发生在邻近的导电物体上。对设备而言，容易产生静电放电的部位是：电缆、键盘及暴露在外的金属框架以及设备外壳上的孔、洞、缝隙等。

 

常用的改进方法是在产品ESD 发生或侵入危险点，例如输入点和地之间设置瞬态保护电路，这些电路仅仅在ESD 感应电压超过极限时发挥作用。保护电路可以包括多个电流分流单元。

 

有多种电路可以达到ESD 保护的目的，但选用时必须考虑以下原则，并在性能和成本之间加以权衡：速度要快，这是ESD 干扰的特点决定的；能应付大的电流通过；考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生；对信号增加的电容效应和电阻效应控制在允许范围内；考虑体积因素；考虑产品成本因素。