静电放电波形校准研究和电流分布统计

(中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁 沈阳 110141)

1 引言

在汽车电子、医疗、消防等领域中，随着科学技术的发展，电子控制部分的功能越来越强大，电路越来越复杂，电磁敏感度越来越高，为确保电子设备有能力抵御在实际生活和工程中的静电干扰，对这些电子设备进行静电放电试验尤为重要。静电放电发生器是进行静电放电抗扰度试验的主要工具，而对静电放电发生器进行校准就是为了开展静电放电抗扰度试验并保证试验结果准确、可重复的前提条件和必要条件。

2 静电耙原理

静电放电校准基本原理是对静电枪参数进行测量、采集，从时域上分析静电参数的波形特性，从而完成静电参数测量并达到对静电枪的校准的目的。静电是个大电流信号，无法直接对它进行测试分析，必须通过某种电流-电压转换器对它进行采集，并转化为能够通过高速带宽示波器显示、存储的时域信号。

静电放电校准装置在不考虑自由电子和空间电荷散射的前提下，主要包括静电放电电流靶、同轴衰减器、数字示波器组成，如图1所示。静电枪输出静电放电环境，通过示波器进行采集，在示波器上显示放电脉冲信号，来校准静电枪参数。

图1 校准连接框图

由于示波器显示的是时域范围内各类电信号的电压与时间之间的关系，不能直接测量电流参数，因此，需要通过静电靶，将电流值转换为电压值。

静电耙的工作原理为：电流传感器内部有很多电阻，这些电阻经过特殊排列，最终等效成输入端为2Ω采样电阻，输出端为48Ω的匹配电阻，这种结构能与示波器保持良好的阻抗匹配，保证静电脉冲波形不失真[1]，如图2所示。

图2 静电耙原理图

U1表示静电放电发生器的放电电压，U2表示示波器的测量值，I表示需要测量的放电电流。

由I=I1+I2

U1=2I1

U1=48I2+50I2

U2=50I2

可得：I=U2

它们的比值等于1，这意味着静电枪发出的电流大小等比于示波器上电压测量值的大小。在静电靶和示波器之间加装30dB衰减器，以适应示波器量程。

图3中，上图为带有法拉第笼静电放电校准示意图，下图为无法拉第笼静电放电校准示意图。通过使用示波器采集无法拉第笼和有法拉第笼两种条件下静电放电波形数据进行比较分析。

图3 静电放电校准示意图

3 数据分析

依据IEC61000-4-2标准要求的校准参数如表1所示(所选放电模块为150pF,330Ω)。

图4 标准电流曲线

表1 波形指标参数

标准要求的采样参数为放电的第一个峰值电流，放电开关操作时的上升时间，在30ns时的电流和在60ns时的电流[2]。表2为无法拉第笼和有法拉第笼两种条件下通过示波器采集得到的数据。

表2 校准波形数据对比

以4kV放电电压为例，图4为无法拉第笼和有法拉第笼两种条件下通过示波器采集得到的波形。(左图为无法拉第笼的条件下测量波形，右图为用同一静电枪有法拉第笼的条件下测量波形)。

图5 校准波形对比

4 结论

通过以上数据可以看出，无法拉第笼和有法拉第笼两种条件下，波形数据整体电流曲线基本吻合，各个采样点的电流值无差异。原因有二：其一，静电放电校准是通过枪内电容放电与耙内电阻产生一个回路，示波器是测试其线路内的电压波形；其二，静电放电是带电体通过近场向外放电，耦合出的是近场辐射，静电耙的1.5m*1.5m的铝板亦可以起到吸收自由电荷和抑制散射的屏蔽作用。所以，静电放电在无法拉第笼条件下进行校准具有可行性，必要情况下需在屏蔽室内进行，使静电放电校准工作更方便、灵活。