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静电放电发生器(ESD)试验方法及标准

1.静电放电抗扰测试概述

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

静电放电(ESD)这是一种自然现象。经验表明,当人们在合成纤维的地毯上行走时,只要走几步,人体积累的电荷就能达到10-6库仑以上(这取决于鞋子和地毯之间的电阻)"系统"里(人/地毯/地球)的平均电容约为几十到几百pF,可能产生的电压应达到15kV。研究不同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为100ps至30ns之间。电子工程师发现,静电放电主要发生在人体接触半导体设备时,可能导致几层半导体材料的突破,造成不可挽回的损坏。静电放电和随后的电磁场变化可能会损害电子设备的正常运行。


2.静电放电抗扰度试验方法

GB/T17626.2国内静电放电标准描述了在低湿度环境下通过摩擦使人体充电的人体在与设备接触时可能会放电。静电放电抗干扰试验模拟了两种情况:⑴设备操作人员直接接触设备对设备工作的放电和影响:⑵当设备操作人员触摸相邻设备时,他们关心设备的影响。

前者称为直接放电(设备直接放电):后者称为间接放电(通过对相邻物体的放电,间接影响设备工作)。静电放电的后果是:

⑴设备中半导体器件通过直接放电损坏,导致设备永久失效。

⑵近场电磁场因放电(可直接放电,也可间接放电)而发生变化,造成设备误动作。


3.静电放电抗扰标准

GB17626.2、YY0505、GB/T18268、EN55024、EN61547等


4.静电放电模拟器

高压真空继电器是唯一能产生重复和高速放电波形的装置.线路中的150pF电容代表人体储能电容,330Ω手持钥匙和其他金属工具时,电阻代表人体的电阻.该标准认为,用这种人体放电模型(包括电容量和电阻值)来描述静电放电足够严重.从放电电流波形(标准规定,放电极对作为电流传感器的2Ω电阻接触放电时的电流波形)可以预测,它富含谐波成分,因此增加了试验的严重性.

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作为静电放电发生器的验证(这是确保不同品牌放电发生器试验结果可比性和重复性的关键),标准要求在4个不同电压下测量,带宽至少为1GHz的示波器。


5.静电放电试验中的放电方式

静电放电试验有两种:直接放电和间接放电。标准规定,接触放电是直接放电的首选,气隙放电只能在不能接触放电的地方进行。对于间接放电,标准是用金属板模拟被试设备附近的放电物体。由于是金属板,接触放电是间接放电的首选。

该标准之所以采用接触式放电作为首选放电方式,是因为它经历了IEC61000-4-2标准前身IEC在801-2标准执行过程中暴露出的不足。IEC801-2标准以气隙放电为唯一的放电方式,发现该放电方式的测试结果重复性和可比性较差。


造成这种情况的主要原因是气隙放电的放电电流波形受以下因素影响:

被测设备表面形状对电极场强分布的影响;

②环境(如温度、湿度和气压)对放电的影响;

③放电电极接近被试设备的速度;

④(例如,8)放电电压对放电流波形频谱的影响kV放电电流上升时间典型值为1ns~5ns;高于8kV电流上升时间可达5~30ns).。

此外,在IEC气隙放电是801-2:1984标准中唯一的放电方式,也与当时找不到合适的测量仪器有关(示波器的带宽不足以观察到1的上升速率ns的波形)。

1991年出版的气隙放电对试验结果的弊端IEC801-2标准草案得到纠正,草案决定以接触放电为首选放电方式。气隙放电仍保留作为非导电表面设备(如塑料底盘或表面复合绝缘金属外壳)的试验方法。这种情况一直持续到IEC61000-4-2标准颁布。


6.静电放电实验室的型式试验

静电放电分为型式试验和现场试验。根据标准,实验室型式试验是设备鉴定和认证的唯一测试方法.现场试验受现场环境影响,主要用于现场情况,不能作为鉴定试验.现场测试只有在用户和制造商同意后才能进行.


Ⅰ.静电放电试验配置

由于静电放电的电流波形非常陡峭,前线已经达到0.7~1ns,其中包含的谐波成分应至少达到500MHz因此,实验室测试配置的标准化是确保测试结果的重复性和可比性的关键.配置可由用户自行制定,标准对此作了规定,总结如下:

(1)水平耦合板(只有台式设备)和垂直耦合板(后者有绝缘支架)的材料与参考地板相同.两个耦合板各有一个,两端连接470kΩ电阻电缆与参考地板连接,以便在放电试验中释放静电电荷.所需的电阻有能力承受放电;整个电缆具有绝缘保护,避免与接地板短路。

(2)参考接地板采用00参考.25mm上述铜板或铝板(铝板易氧化,慎用).如果使用其他金属,厚度至少为0.65mm以上.参考地板的实际尺寸是无限的,要求每侧0超出被试设备(指地面设备)或测试台面水平耦合板(用于台式设备).5m以上.接地板应与实验室的保护接地线连接。

(3)所有连接线(包括参考接地板的接地电缆;耦合板上带电阻的连接电缆;放电枪连接到参考接地板上的接地线等。)必须保持低阻抗连接。

(4)对于台式设备,在水平耦合板上覆盖一个0.5mm绝缘板需要在试验中不明显积累电荷.在台式设备测试中,水平耦合板至少比测试产品的每一面大0.1m.如果测试产品太大,要么选择更大的测试台;或者选择两个相同的测试台来放置测试产品。桌面上的水平耦合板不需要焊接在一起,而是可以在两个桌子的组合处覆盖一块相同材料的金属,只要每个桌面压力为0.3m以上即可.然而,两个表的水平耦合板需要用电阻线与参考地板连接。

(5)对于地面设备,参考接地板上应有一个0.1m高绝缘支座、试件和试件电缆放置在绝缘支座上。


(6)其他应注意的地方

A.在距试品1m内部应没有墙壁和其他金属物品(包括仪器)

B.放电时,放电枪的接地回线和试件表面应保持至少0.2m间距,避免相互之间的额外感应,影响测试结果

C.根据实际情况(包括电源线、信号线括电源线、信号线、安装脚等)进行布局。.接地线应按厂家规定接地(如果没有接地线,则不接地),不允许额外接地线


Ⅱ.静电放电试验方法

标准规定,当被测试设备正常工作时,人们可以触摸的部分是需要静电放电试验的部分(除外壳外,如控制键盘、显示屏、指示灯、旋钮、钥匙孔、电源线等)

试验期间,被试设备处于正常工作状态

在测试正式开始之前,测试人员以20次/秒的放电速度快速扫描测试产品的表面,以找到测试产品的敏感部位(在扫描过程中有导致测试产品数量跳动和动作异常迹象的部位应记录在正式测试的关键部位,并在正式测试期间在其周围增加几个测试点)

正式测试时,放电以1/秒的速度进行(也有规定为1/5秒的产品),以便测试产品能够及时响应.通常每个选定点放电20次(10次为正,10次为负)。

原则上,所有可以使用接触放电的地方都应该使用接触放电.对于涂有油漆的外壳,如果制造商没有解释绝缘的,在试验过程中,用放电枪的尖端刺穿漆膜放电试件.如果制造商解释为绝缘,则改为气隙放电.气隙放电应采用半圆头电极。每次放电前,放电枪应从试件表面移除,然后放电枪应慢慢靠近试件,直到放电发生.为了提高试验结果的重复性和可比性,放电电极应垂直于试验表面。

间接放电:

①对于水平耦合板,放电枪垂直离开试件0.1m通过接触放电放电。

②对于垂直耦合板,耦合板应放置在离试品0中.1m放电枪应垂直于耦合板垂直边缘的中心位置放电.试验产品的四个垂直方向应采用垂直耦合板进行间接放电试验。


7.静电放电现场试验

现场测试是在安装条件下对设备进行的测试.通常,在现场设备受挫后,由制造商和用户协商进行测试。

对于现场试验的布置,为便于静电放电枪接地回线电缆的连接,应在地面上铺设参考接地板,并与试验产品及其系统保持0.1m的距离.参考地板的材料和厚度与实验室配置的要求相同.如果条件允许,接地板的尺寸为0.3m×2m.参考地板与现场的安全连接,或连接到试验产品及其系统的接地端子.发电机的接地回线连接在试验产品及其系统放电点附近的参考接地平面上。

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当测试产品及其系统安装在金属桌上,且金属桌未与现场安全连接时,金属桌应通过470kΩ电阻线连接到参考接地面,以防止静电积累。


8.静电放电等级

标准将试验等级分为四个等级:接触放电分别设置为2kV,4kV,6kV和8kV;气隙放电分别设置为2kV,4kV,8kV和15kV。


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试验等级的选择与环境因素有关(环境越干燥,试验电压等级越高).但是对于一个特定的产品,往往是在相应的产品家族标准或产品标准试验中给出的(连同试品的合格评价标准也给出)。


9.评论静电放电标准

①由于接触放电的不确定因素较少,所以接触放电是标准放电的首选。

②接触式放电有一个非常陡峭的上升时间,因此放电电流波形包含非常丰富的谐波成分。即使选择相对较低的测试电压,也可以获得比同级高压气隙放电更严格的测试结果。


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