电磁兼容EMC测试——静电放电抗扰度试验(ESD)

电磁兼容EMC测试——静电放电抗扰度试验(ESD)

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。

静电放电抗扰度测试目的

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：

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邻近设备时，和这台测试设备的影响。（间接放电）

静电放电可能造成的后果是:

1. 通过直接放电能量交换,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. 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。

放电方式

• 直接放电：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）才改用气隙放电。

• 间接放电：水平耦合（HCP），垂直耦合（VCP）

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。

实验模型

如下图所示为静电放电模拟器的基本线路

IEC61000-4-2标准下，电路中的C=150pF电容代表人体的储能电容，放电电阻Rd=330Ω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。

根据静电放电模型，IEC61000-4-2模拟静电放电做了相应的静电产生设备——静电发生器，又叫静电枪而基于该标准的静电放电波形图如下图：

从图中可以看出，第一尖峰的上升时间tr=0.7-1ns。（上升时间的计算为从10%处上升到90%处所用的时间。）电流在此时间内幅度波动巨大，1-30A不等。而放电能量也从几十Mhz到1Ghz不等，但大多数能量都集中在低频放电区域。

实验内容

1、需要明确受试设备的典型工作状态；

2、受试设备按台试设备还是落地式设备进行试验；

3、确定施加静电的部位；

4、在每个施加部位，采用的是接触放电还是空气放电形式；

5、产品选择测试哪个等级（1级-4级，以及开放等级可选择）；

6、符合性测试中对于每个施加部位的放电次数。

实验等级

IEC61000-4-2制定了五级的试验等级，包括了4个试验等级和1个开放等级。一般电子产品过的CTA认证，要求静电等级为3，即接触6kv，空气8kv。

注：“X”是开放等级，该等级必须在专用设备的规范中加以规定，如果规定了高于表格中的电压，则可能需要专用的试验设备。

实验设备

相应的接触放电和空气放电的静电枪的枪头是不同的，接触放电的头是尖头，方便接触，而空气放电的枪头是圆头。

静电放电抗扰度实验结果

试验结果应依据受试设备的功能丧失或性能降级进行分类。相关的性能水平由设备的制造商或试验的需求方确定，或由产品的制造商和购买双方协商同意。
建议按如下要求分类：
a级：在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常
b级：功能或性能暂时丧失或降低，但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预；
c级： 功能或性能暂时丧失或降低，但需操作人员干预才能恢复；
d级： 因设备硬件或软件损坏，或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。