4.1 靜電放電抗擾度試驗

靜電放電抗擾度試驗的國家標準在國內已經出過兩個版本，分別是GB/T17626.2—1998（等同于國際標準IEC61000—4—2：1995）和GB/T17626.2—2006（等同于國際標準IEC61000—4—2：2001）。考慮到國內多數(shù)產品的相關標準尚未修訂，因此這兩個標準的應用在國內，至少在目前，實際上是并存的。另外，作為標準化的最新動向，國際上又出了最新的2008版IEC61000—4—2標準。本節(jié)將介紹這些情況，滿足讀者渴望了解標準最新發(fā)展動向的需要，其中將GB/T17626.2—2006標準放在4.1.10節(jié)，而將IEC61000-4-2：2008標準放在4.1.11節(jié)中簡述。

4.1.1 靜電的產生與危害

靜電放電是一種自然現(xiàn)象，當兩種不同介電強度的材料相互摩擦時，就會產生靜電電荷，當其中一種材料上的靜電荷積累到一定程度，在與另外一個物體接觸時，就會通過這個物體到大地的阻抗而進行放電。靜電放電及其影響是電子設備的一個主要干擾源。

經驗表明，人在合成纖維的地毯上行走時，通過鞋子與地毯的摩擦，只要行走幾步，人體上積累的電荷就可以達到10-6庫侖以上（這取決于鞋子與地毯之間的電阻），這樣一個“系統(tǒng)”里（人/地毯/大地）的平均電容為幾十至上百皮法，可能產生的電壓要達到15kV。

研究不同的人體產生的靜電放電，會有許多不同的電流脈沖，電流波形的上升時間在100ps～30ns之間。

由于靜電的存在，人體成為對電子設備或爆炸性材料的最大危害。電子工程師們發(fā)現(xiàn)，靜電放電多發(fā)生于人體接觸半導體器件的時候，有可能導致半導體材料的擊穿，產生不可挽回的損壞。靜電放電以及緊跟其后的電磁場變化，可能危害電子設備的正常工作。

4.1.2 靜電放電試驗

GB/T17626.2描述的是在低濕度環(huán)境下，通過摩擦使人體帶電。帶了電的人體，在與設備接觸過程中就可能對設備放電。靜電放電抗擾度試驗模擬了兩種情況：① 設備操作人員直接觸摸設備時對設備的放電以及放電對設備工作的影響；② 設備操作人員在觸摸鄰近物體，通過對鄰近物體的放電，間接構成對這臺設備工作的影響。標準稱前一種情況為直接放電，而將后一種情況稱為間接放電。

靜電放電可能造成的后果是：① 通過直接放電，引起設備中半導體器件的損壞，從而造成設備的永久性失效；② 由放電（可能是直接放電，也可能是間接放電）而引起的近場電磁場變化，造成設備的誤動作。

4.1.3 靜電放電的模擬

圖4.1所示為靜電放電發(fā)生器基本線路及其放電電流波形。

圖4.1中的高壓真空繼電器是目前唯一能產生重復和高速放電波形的器件。線路中的150pF電容代表人體的儲能電容，330Ω電阻代表人體在手握鑰匙和其他金屬工具時的人體電阻。標準認為用這種人體放電模型（包括電容量和電阻值）來描述靜電放電是足夠嚴苛的。

從圖中的放電電流波形（標準規(guī)定是放電電極對作為電流傳感器的2Ω電阻接觸放電時的電流波形）可以預見它含有極其豐富的諧波成分，因此它加大了試驗的嚴苛程度。

作為對靜電放電發(fā)生器的校核（這是確保采用不同品牌放電發(fā)生器試驗結果可比性與重復性的關鍵），標準要求在4個不同電壓下進行測量，其參數(shù)要滿足表4.1所示的要求，測量中要用帶寬至少為1GHz的示波器。

4.1.4 靜電放電試驗中的放電方式

靜電放電試驗有直接和間接兩種。標準規(guī)定直接放電以接觸放電為首選方式，只有在不能用接觸放電的地方才改用氣隙放電。

對于間接放電，標準中是用金屬板來模擬被試設備附近的放電物體。由于是金屬板，所以對于間接放電無一例外是采用接觸放電為首選的放電方式。

標準之所以用接觸放電為首選的放電方式，是因為經歷了IEC61000—4—2標準的前身IEC801—2標準執(zhí)行過程中暴露出來的不足。IEC801—2標準以氣隙放電為其唯一的放電方式，標準執(zhí)行中發(fā)現(xiàn)這種放電方式的測試結果重復性和可比性都比較差。造成這種情況的主要原因是氣隙放電的放電電流波形受制于下列因素：

（1）放電電極接近被試設備的速度；

（2）被測設備表面的形狀對電極場強分布的影響；

（3）環(huán)境（如溫度、濕度和氣壓）對放電的影響；

（4）放電電壓對放電電流波形頻譜的影響（如8kV的放電電流上升時間典型值為1000ps～5ns；電壓高于8kV時，電流上升時間可能達到5～30ns）。

此外，在IEC801—2：1984標準中采用氣隙放電為唯一放電方式，還與當時找不到合適的測量儀器有關（示波器的帶寬還不足以觀察到上升速率為1ns的波形）。

到了1991年，IEC801—2標準的修訂版出版時，人們已經覺察到氣隙放電對測試結果帶來的種種弊病（特別是試驗結果的重復性和可比性），決定改用接觸放電為首選放電方式。但標準仍保留氣隙放電作為對非導電性表面的設備（如塑料機箱或表面復有絕緣物的金屬外殼）的試驗方式。這種試驗方式一直延續(xù)到IEC61000—4—2標準的頒布。

4.1.5 實驗室的型式試驗

靜電放電分為實驗室的型式試驗和現(xiàn)場試驗兩種。標準規(guī)定，實驗室的型式試驗是設備鑒定和認證唯一采用的試驗方式?，F(xiàn)場試驗則受制于現(xiàn)場環(huán)境，主要用于現(xiàn)場情況摸底，而不能作為鑒定試驗?，F(xiàn)場試驗要征得用戶和制造商雙方一致同意后才能進行。

1.試驗配置

由于靜電放電的電流波形十分陡峭，前沿己經達到0.7～1ns，其包含的諧波成分至少要達到500MHz以上，所以試驗室里試驗配置的規(guī)范性是保證試驗結果重復性和可比性的一個關鍵。

圖4.2所示是上海三基電子工業(yè)有限公司提供的臺式與落地式兩種設備的試驗配置。

圖4.3所示則是試驗室實際布局的照片。

上述試驗配置也可以由用戶自行制作，標準對此做出了規(guī)定，歸結起來有以下幾點。

（1）參考接地板采用0.25mm以上銅板或鋁板（鋁板易氧化，慎用）。如果用其他金屬，厚度至少是0.65mm以上。

參考接地板實際尺寸不限，要求四周均超出被試設備（指地面設備）或試驗桌臺面水平耦合板（用于臺式設備）的每邊0.5m以上。

參考接地板要和試驗室的保護接地線相連。

（2）水平耦合板（僅臺式設備有）和垂直耦合板（后者有絕緣支架）的材料與參考接地板相同。

兩塊耦合板各有一根兩端接有470kΩ電阻的電纜線與參考接地板相連，以便泄放試驗中靜電電荷。要求所用電阻有承受放電的能力；整個電纜有絕緣保護，避免與接地板短路。

（3）對于臺式設備，在水平耦合板上覆一塊0.5mm的絕緣薄板，要求試驗中此板不明顯積聚電荷。

在臺式設備試驗中，水平耦合板至少比試品的每邊大出0.1m。如果試品太大，要么選用更大的試驗臺；要么選用兩張同樣的試驗臺來擺放試品，桌面上的水平耦合板不必焊在一起，可以在兩張桌子的拼合處覆一塊同樣材質的金屬，只要各壓住每個桌面0.3m以上即可。但要求兩張桌子的水平耦合板分別用電阻線與參考接地板相連。

（4）對于地面設備，在參考接地板上要有一個0.1m高的絕緣支座，試品和試品電纜放在絕緣支座上。

（5）上述所有連接線（包括參考接地板的接地電纜、耦合板上的帶電阻的連接電纜，以及放電槍接到參考接地板上的接地回線等）都必須保持低阻抗的連接。

（6）其他應注意的事項包括：

① 在距試品1m以內應無墻壁和其他金屬物品（包括儀器）。

②試驗中的試品要盡可能按實際情況布局（包括電源線、信號線和安裝腳等）。接地線要按生產廠的規(guī)定接地（沒有接地線的就不接），不允許有額外的接地線。

③放電時，放電槍的接地回線與試品表面至少保持0.2m的間距，避免相互間有附加感應，影響試驗結果。

2.試驗方法

1）直接放電

標準規(guī)定，凡被試設備正常工作時，人手可以觸摸到的部位，都是需要進行靜電放電試驗的部位（這樣的部位，除機殼以外，其他如控制鍵盤、顯示屏、指示燈、旋鈕、鑰匙孔、電源線等都在考核范圍內）。

試驗時，被試設備處于正常工作狀態(tài)。試驗正式開始前，試驗人員對試品表面以20次/s的放電速率快速掃視一遍，以便尋找試品的敏感部位（凡掃視中有引起試品數(shù)顯跳動、動作異常跡象的部位，都作為正式試驗時的重點考查部位，應記錄在案，并在正式試驗時應在其周圍多增加幾個考查點）。正式試驗時，放電以1次/s的速率進行（也有規(guī)定為1次/5s的產品），以便讓試品來得及做出響應。通常對每個選定點上放電20次（其中10次是正的，還有10次是負的）。

原則上，凡可以用接觸放電的地方一律用接觸放電。對于涂漆的機殼，如果制造廠未說明是做絕緣的，試驗時用放電槍的尖端刺破漆膜對試品進行放電。如果廠家說明是做絕緣使用時，則改用氣隙放電。對氣隙放電應采用半圓頭形的電極，在每次放電前，應先將放電槍從試品表面移開，然后再將放電槍慢慢靠近試品，直到放電發(fā)生為止。

為改善試驗結果的重復性和可比性，放電電極要垂直試品表面。

2）間接放電

（1）對于水平耦合板，放電槍垂直地在離開試品0.1m處用接觸放電方式進行放電。

（2）對于垂直耦合板，耦合板應放在離試品0.1m處，放電槍要垂直于耦合板一條垂直邊的中心位置上進行放電。對試品垂直方向的四個面都要用垂直耦合板做間接放電試驗。

圖4.4所示是臺式和落地設備的配置與放電位置例。

4.1.6 靜電放電的試驗等級

標準將試驗等級分成四級：對接觸放電分別設為2kV、4kV、6kV和8kV；對氣隙放電分別設為2kV、4kV、8kV和15kV。

試驗等級的選擇與環(huán)境因素有關（環(huán)境越干燥，試驗電壓等級也越高）。但對一臺具體的產品來說，往往已在相應的產品族標準或產品標準中給出（連同試品的合格評定準則也一并給出）。

4.1.7 試驗結果評估

試驗結果應按照試驗中被試設備功能的喪失或性能降級情況來進行分類，相關的性能等級由設備制造商或試驗的申請方來規(guī)定，或由制造商與產品購買方雙方協(xié)商同意。建議按下述情況進行分類：

（1）在制造商、申請方或購買方所規(guī)定正常性能的范圍內；

（2）在騷擾停止后，功能暫時性喪失或性能降低的現(xiàn)象停止，并且無須操作人員介入，即能自動恢復到正常情況；

（3）功能暫時性喪失或性能降低的現(xiàn)象需由操作人員介入才能恢復；

（4）由于硬件或軟件的損壞、數(shù)據(jù)丟失，功能喪失或性能降低的現(xiàn)象不能恢復。

制造商可以規(guī)定對EUT的影響，其中哪些是可以忽視的，哪些則是可以接受的。

這一分類可以被負責通用的、產品的或者產品族標準的委員會用做表述性能判據(jù)的指南（在產品或產品族標準中給出）；或在沒有合適的通用、產品或產品族標準時，可作為制造商和購買方之間協(xié)商同意的性能判據(jù)的構架。

4.1.8 試驗報告

試驗報告應當包含重現(xiàn)試驗所需的全部信息。特別是下述內容應予記錄：

（1）要求的試驗項目；

（2）被試設備與關聯(lián)設備的標識（如商標名稱、產品類型、系列編號）；

（3）試驗設備的標識（如商標名稱、產品類型、系列編號）；

（4）做試驗用的環(huán)境條件（如屏蔽室或普通實驗室）和氣候條件（如溫度、濕度和大氣壓力）；

（5）進行試驗時有無所需的特定條件；

（6）由標準或制造商、委托方（或購買方）所規(guī)定的性能等級及性能判據(jù)；

（7）在騷擾施加期間及以后，在被試設備上所觀察到的任何影響，以及影響的持續(xù)時間；

（8）試驗的結論（通過或失?。约白龀鼋Y論的理由（如基于產品標準或產品族標準所規(guī)定的性能判據(jù)，或者是由制造商和購買方之間所達成的協(xié)議）；

（9）在試驗中所采用的任何特殊條件，如電纜長度或類型，屏蔽或接地，被試設備的運行條件等，所有這些都要符合試驗的規(guī)定；

（10）試驗的配置和被試設備的布局圖畫或照片。

4.1.9 靜電放電試驗的標準點評

（1）標準之所以用接觸放電作為放電的首選方式，是因為接觸放電的不確定因素較少。

（2）接觸放電有著極其陡峭的上升時間，因此放電電流波形中包含了極其豐富的諧波成分，即使選擇比較低的試驗電壓，也能取得比同樣等級中電壓較高的氣隙放電有更加嚴格的測試結果。

4.1.10 新版國家靜電放電抗擾度試驗標準（GB/T17626.2—2006）簡述

新版國家靜電放電抗擾度試驗標準于2006年頒布。新標準等同于IEC61000—4—2：2001，用于代替我國目前尚在采用的GB/T17626.2—1998（等同于IEC61000—4—2：1995）標準。由于新老標準中絕大部分的內容都是相同的，這里只將新國標與老國標中增加或修改的部分列出。

1.不接地設備的試驗方法

新國標所描述的這個試驗適合在安裝說明或設計中已規(guī)定不與任何接地系統(tǒng)連接的設備或設備部件采用。這里的設備或部件包括便攜式的、電池供電的和雙重絕緣的設備（Ⅱ類設備）。

原理：不接地的設備或設備中不接地的部件，它們不像由電網供電的Ⅰ類設備那樣進行放電，如果在下一次ESD脈沖施加之前不能將電荷釋放，就有可能使設備或設備的部件達到所施試驗電壓的兩倍。因此在Ⅱ類絕緣的設備電容里積累了幾次ESD放電后，雙重絕緣的設備可能被不切實際地充電至很高的電荷，最終以非常高的能量在絕緣體的擊穿電壓點上放電。

試驗配置與4.1.5節(jié)中提到的配置細節(jié)相同。

為了模擬單次放電（無論是空氣的，還是接觸的），試品上的電荷應當在每次施加靜電放電脈沖之前先行釋放。以連接器的外殼、電池的充電端子、金屬的天線為例，應當在每次施加靜電放電試驗脈沖時，先釋放掉在需要施加靜電放電的金屬點或部位上的電荷。例如，使用在水平和垂直耦合板上釋放電荷的類似方法，即通過帶有470kΩ泄放電阻的電纜進行放電的方法。

由于在試品與水平耦合板（用于臺式設備），以及試品與參考接地板（用于地面設備）之間的電容是取決于試品尺寸的，若功能允許，在靜電放電試驗時可以保留帶泄放電阻的電纜安裝。在放電電纜中，一個電阻要盡可能地靠近EUT上的試驗點，最好小于20mm；另一個電阻接在電纜線的末端附近，與水平耦合板（對臺式設備）或參考接地板（對地面設備）相連。

圖4.5所示是臺式和地面不接地設備的試驗例。

試驗中，帶泄放電阻的電纜的存在，可能會影響某些設備的試驗結果，若有爭議，在試驗期間可先卸掉電纜，再做試驗。在一次放電試驗結束后，再把電纜裝上去，以便在兩次連續(xù)放電之間，讓電荷有足夠衰減。

上述方法的主要缺點是操作過于煩瑣。作為替代，可采用下述方案：

（1）將兩次連續(xù)放電之間的時間間隔增長，達到讓試品上的電荷自然衰減到允許值所需的時間。

（2）在接地電纜上采用帶泄放電阻（如2×470kΩ）的碳纖維刷子。

（3）在試驗環(huán)境里采用空氣-離子發(fā)生器來加速試品的“自然”放電過程。

針對最后一種替代方案，在做空氣放電試驗時，離子發(fā)生器應關閉，避免放電槍頭上的電荷被離子發(fā)生器所產生的離子中和掉。

上述任何一種替代方法的使用都要反映在試驗報告里。對于電荷衰減的爭議，試品上的電荷可以用一臺非接觸的電場計來監(jiān)視，當電荷衰減到初始值的10% 以下時，則認為試品已經放電。

放電時，靜電放電發(fā)生器的電極應保持正常的垂直于試品表面的位置。

2.對試品的直接放電

除非在通用、與產品相關的或者是產品族標準中另有規(guī)定，靜電放電僅施加在試品正常使用中可以觸及到的點和面上。但下述情況被排除在外（如放電不施加在這些條目上）：

（1）對于只有在維護時才能觸及的點和面。在這種情況下，應在相應的文件中特別規(guī)定靜電放電的簡化試驗。

（2）只有最終用戶檢修時才能觸及的點和面。例如，對下述這些很少觸及的點：在更換電池時觸及的電池觸點、錄音電話的磁帶盒，等等。

（3）對于在安裝固定后，或者按說明使用后不再觸及的點和面。例如，設備的底部以及靠墻壁的一側，適配連接器的后面。

（4）同軸以及多芯連接器觸點，由于它們都有一個金屬的連接器外殼。在這種情況下，接觸放電僅施加在連接器的金屬外殼上。

（5）對于非導電外殼（如塑料的）連接器中可接觸到的觸點，只采用空氣放電來做試驗。應當在靜電放電發(fā)生器上采用圓頭的電極來做這個試驗。

通常要考慮六種情況，見表4.2。

（6）由于功能的原因，對于那些對靜電放電敏感的連接器的觸點或其他可觸及部分，如測量、接收或其他通信功能的射頻輸入端，應采用靜電放電的警告標識。

這是因為，許多連接器端口是被用來處理模擬或數(shù)字的高頻信號的，所以不能提供有足夠過電壓保護能力的器件。在模擬信號的情況下，選用帶通濾波器或許是一種解決方案。至于過電壓保護二極管，由于寄生電容過大，對試品所采用的工作頻率是不利的。

在上述所有情況中，要在相應的文件中推薦專門的試品簡化試驗。

3.對水平耦合板的放電

對水平耦合板的放電，放電電極的長軸要處在水平耦合板的平面里，且垂直于它的前緣（見圖4.6中用虛線圓圈的勾勒部分）。

在朝向EUT每一單元（若適用）的中心點，且與EUT前端相距0.1m處的水平耦合板前緣處，以最敏感的極性，至少做10次單次放電。放電時，放電電極要與水平耦合板的邊緣相接觸，放電電極的長軸要處在水平耦合板的平面里，且垂直于它的前緣。

另外，要考慮對EUT所有的暴露面做這個試驗。

4.1.11 最新國際靜電放電試驗標準IEC61000—4—2：2008簡述

前述兩個靜電放試驗電的國家標準都是從IEC61000—4—2轉化而來的，只是選用的版本不同，分別為1995年的第1版和2001年的第1.2版。從標準的發(fā)展看，IEC61000—4—2的最新版本是2008年的第2版，該版本尚未轉化成新的國家標準，所這里簡述它與以往版本間的不同。

應該說IEC61000—4—2：2008與IEC61000—4—2：2001在試驗發(fā)生器和試驗方法上沒有根本性的差異，但是在標準的文本上還是有了許多補充，而且占了相當大的篇幅。例如，在標準的正文上增加了靜電放電發(fā)生器特性的理想化波形方程。又如，在附錄中給出了電流測量系統(tǒng)的校正和放電電流的測量（附錄B）；滿足附錄B要求的校準用電流靶實例（附錄C）；由人體金屬放電和靜電放電發(fā)生器引起的輻射場（附錄D）；測量不確定性的考慮（附錄E）；試驗結果的變化和升級策略（附錄F）。

這里特別提出兩張在IEC61000—4—2：2008標準中用來說明不接地設備的靜電放電試驗的配置圖，如圖4.7所示。由于布局比較詳盡，可供讀者試驗時參考。

在圖4.7中類似于用在水平耦合板和垂直耦合板上的，帶有470kΩ泄放電阻的電纜是移走電荷用的首選方法。對于這根帶泄放電阻的電纜，它的一個電阻應當接在盡可能靠近受試設備試驗點的地方，最好小于20mm。第二個電阻應當接在靠近電纜的末端，對于臺式設備，接在水平耦合板上（如圖4.7（a）所示）；對于落地設備，接在接地參考平面上（如圖4.7（b）所示）。

1.臺式設備

對于與參考接地平面沒有任何金屬連接的臺式設備，應采用類似于圖4.4（a）的布局來安裝。注意在做水平耦合板的間接放電試驗時，放電槍的電極長軸要處在水平耦合板的平面里，且垂直于它的前緣。

對于一個金屬的、可接觸到的部件是在受試設備上的臺式設備，當要對它施加靜電放電脈沖時，該部件應當通過帶有泄漏電阻的電纜接至水平耦合板上，如圖4.7（a）所示。

2.落地設備

對于與參考接地平面沒有任何金屬連接的落地設備，應采用類似于圖4.4（b）所示的布局來安裝。

帶有泄漏電阻的電纜則用于金屬的、可接觸到的、需要施加靜電放電的部件與接地參考平面（GRP）之間，如圖4.7（b）所示。