非接触式支架与手持方式校验静电放电发生器之差异

施 滨 蔡 青/. 上海市计量测试技术研究院；. 上海交通大学

静电是电子设备的一个主要的干扰源，在校验静电放电发生器时应尽量避免人体静电等外界干扰的存在。该文分析校验静电放电发生器时外界干扰的影响，提出研制通用的可自由升降式的非接触式测试支架的解决方案，通过对多种型号的样品进行实验比对，证实能消除人体电容等外界因素带来的校验误差。

0 引言

静电是自然界中普遍存在的现象，在人体行走、站立、操作设备等活动过程中都会产生静电，任何物质（固体、液体、气体）只要有接触与分离就会产生静电。处处存在的静电是看不见、摸不到的，但对现代高速高集成的电子设备却是一个时时刻刻存在的杀手。静电放电ESD（Electrostatic Discharge）[1]是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，是电子设备中的一个主要的干扰源，它可能导致系统逻辑错误、程序出错、数据丢失等，情况严重时会导致设备或器件的损坏，如介质击穿，IC击穿。由于带静电的人体或设备与地之间可能存在静电放电的路径和流向，因此人体可以携带静电，带静电的人体接触电子设备或其中的电子器件时，就有可能损坏电子器件。

因此，欧洲与美国早在20世纪90年代就制定了严格的强制标准和法规，对于进入欧美市场的电子产品必须符合电磁兼容的要求，其中最主要的一项就是静电放电检验。我国在20世纪90年代末制定了电磁兼容的标准（基本上与国际标准一致），规定检验所使用的设备就是静电放电发生器。

1 校验时外界干扰影响分析

以往校验静电放电发生器时，一般按照《GB/T 17626.2-2006 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》要求的典型布置图进行，该布置图给出了校验所需的示波器、标靶、法拉第笼的接线方式，但是对于静电放电发生器的放置却并未给出详细的描述，从而导致人体及外界感应电容的存在对校验过程造成影响。

在实际校验过程中，人体可等效于一个电容，因此用手持静电放电发生器的方式进行校验，会带来许多未知的误差。从图1、图2中不难看出，用手持的方式校验静电放电发生器时，会有人体及外界的感应电容存在。例如，对10个人分别进行电容测试，数据如表1。

图1 静电放电发生器原理图

图2 手持校验时外界干扰影响示意图

表1 10个人电容测试值

可以看出每个人的电容值均不同，而当环境的温度、湿度发生变化时，每个人的电容值，还会发生变化。

为了说明不同的人体电容会对校验静电放电发生器产生不同的影响，分别做了7组实验进行对照。在电压为2 kV时，同一个人分别用一只手握和两只手握静电放电发生器的方式，所得的校验数据如表2所示；在电压为2 kV时，不同的5个人分别用一只手握静电放电发生器所得的数据如表3所示。

表2 同一人不同方式测得的数据比较

表3 不同人员同一方式测得的数据比较

由此可以看出，人员变化或者人员测试方式发生变化可以看为电容值的变化，带来的影响主要是第一峰值电流数据的不同，测量误差也难以控制。因此，如何完整地、有效地校验静电放电发生器的性能一直是一个难题。

目前，国内校验机构在校验静电放电发生器时，使用的主要设备有法拉第笼（或屏蔽室）、标靶、示波器，在整个校验过程中由两个人合作完成，一人手持操作静电放电发生器，而另一人操作示波器，完全未考虑到人体及外界的感应电容对整个测量的影响，其带来的测量误差也就是个未知数。国外厂商在校验各自生产的静电放电发生器时，除了以上设备，还配备了静电放电发生器专用的支架，主要是三角架和简单的木板架两种。但存在覆盖面窄、只针对其生产的产品的缺陷，另外对于静电放电发生器的接地线部分尚未采取任何措施，任由其悬挂，这样还会存在重复性测量较差的缺陷。同时未对校验装置采取任何措施，仍需人体近距离操作示波器，依然有测量误差。

2 解决外界干扰影响的方案

针对以上问题，提出非接触式校验静电放电发生器的概念，一举消除了人体及外界的感应电容对测量的影响，从而能保证测量结果的准确可靠。方法是，在国内校验的布置上，特别研制了可自由升降的通用支架，能符合市场上所有的静电放电发生器使用，如图3、4所示。同时开发了软件，在Labview8平台上编写的操作软件，能远距离程控示波器，取代人体直接操作，达到实时等效的功能，起到隔离的作用，彻底消除了人体及外界的感应电容对测量的影响。

图3 本文中制作的通用校验支架

图4 非接触方法校验静电放电发生器接线图

3 测试数据比较

通过使用非接触式和手持接触式方法分别对生产厂家为EM TEST，型号为dito，编号为V0811103518的同一静电放电发生器进行实验。从图5、6中画圈的部分以及数据比较可以看出，该静电放电发生器利用非接触方法校验第一峰值电流明显比手持方法要大，而且在第一峰值电流与30 ns处电流之间有一个明显的突起存在。

图5 改进后校验波形

图6 手持时校验波形

波形参数（非接触式）见表4。

表4 非接触式校验时的波形参数

波形参数（手持式）见表5。

表5 手持方式校验时的波形参数

通过对NSG435、ESD3000、ESS-2002、MZ-15/EC、NS61000-2K等不同型号的静电放电发生器进行校验，观察波形图中差异部分以及数据比较可以看出，改进后的非接触方法校验电流波形与手持方法之间有着明显的区别，实验结果见表6。

表6 两种方式校验的结果

4 结论及建议

通过对以上几组静电放电发生器进行校验比较，可以得出以下结论：非接触方法校验的数据与手持校验静电放电发生器有着明显的差异。利用手持方式校验静电放电发生器，由于每个人的个体不同，带来的校验结果千变万化，而使用非接触方法校验，能一举消除外界的干扰，使得数据更为真实、可靠、有效。

即将出版的新版《静电放电模拟器校准规范》[2]中明确规定“在校准过程中，静电放电模拟器安装在三脚架或者等效的非金属的低损耗支持物上。”所以，建议在校验静电放电发生器时，严格按照校准规范中的规定操作。另外，在进行静电放电发生器试验时，也可利用三角架或等效的非金属的低损耗支持物，从而保证试验的有效性、可靠性。

[1] 全国电磁兼容标准化技术委员会.GB/T 17626.2-2006[S].北京：中国标准出版社，2007.

[2] 全国无线电计量技术委员会.静电放电模拟器校准规范(征求意见稿) [S].