静电放电抗扰度相关实验及产品改造分析

刘仁杰

（北京电子科技职业学院， 北京 100176）

0 引言

静电放电是一种经常可以见到的危害源， 它可以对电子器件产生损坏，对其性能产生影响，由于近些年微电子技术和科技的发展，静电放电越来越受到大家的重视。所以当交通、通信、电子等电气电子设备（产品）受到静电放电干扰时， 需要对其是否能够保持性能正常或因此而遭受性能级别降低的能力进行测试， 这种能力就称为静电放电抗扰度。 静电放电抗扰度实验是电磁兼容实验的重要组成部分， 基本上所有的电子器件都要经过静电放电抗扰度实验的测试。 静电放电与电子设备功能失效的关联研究仍然是需要重点关注的方向， 改进实验方法和平台来替代一些需要用数学计算所解决的问题才是研究的根本。 为此本文通过实际测试来研究分析了如何正确并有效地提高这些产品的静电放电抗扰度能力， 对电子器件如何提升静电放电抗扰度具有一定的参考价值。

1 静电放电抗扰度实验概述

1.1 实验概述

静电放电抗扰度实验一般采取与测试时所使用的标准一致，即《GB/T 17626.2 电磁兼容实验和测量技术静电放电抗扰度实验》，该标准明确了实验等级、测试方法等。

标准中定义的实验等级如表1 所示。

表1 静电放电实验等级

1.2 实验布置

如图1 所示为台式设备的静电放电抗扰度实验布置图，该实验布置中分别有一个水平耦合板（HCP）和垂直耦合板（VCP），前者使用一个规格为1.6m×0.8m 的金属板平放在木桌上，且可对该板直接放电。后者用一个规格为0.5m×0.5m 的金属板摆在离EUT 大约0.1m 并与前者空间垂直的地方，另外它们应该彼此绝缘。 EUT 距HCP 边缘超过0.1m。如果EUT 很大，可以增加一块HCP，但是不可以搭接，而是要相距0.3m，短的一边相邻，并且通过电缆和电阻通到公共地上。

图1 台式设备ESD 测试实验布置示意图

静电枪也需连至参考地面， 保证整个系统都是共地的。电缆长度可能会大于事先选好的放电点的距离，多出来的这一部分要避免距离实验装备中另外的导电部分太小（相距大于等于0.2m），同时与参考地之间没有感应。接在地上的电缆与参考用的与地面相连接的板之间需要相互连接， 其中每一个焊点都应该满足电阻值低的这一特点。 同时规定耦合板采用和接地用的参考平面一样的材料和高度， 而且每段都要带有一个电缆， 此电缆由一个470kΩ 大小的电阻组成，并连接到接地用的参考平面，将电缆置于接地参考平面上时， 这些电阻器应该能抵御住放电所产生的电压，并且有良好的绝缘特性，以避免对接地参考平面的短路，也可以防止静电电荷的累积。

2 静电放电抗扰度实验仪器

2.1 静电放电发生器概述

静电放电发生器如图2 所示，其主要部分包括：充电电阻Rc（50-100MΩ）、储能电容器Cs（代表人体电容值，150pF 较合适）、分布电容Cd（测试仪与受测设备间以及接地参照面和耦合板间的空间中出现）、放电电阻Rd（代表手握钥匙或其他金属工具的人体电阻，330Ω）等，根据多种测试及实际应用可确定该原理的测试仪完全能表现出人体放电的放电状态[2]。

图2 静电放电发生器电路原理图

静电放电发生器的电压大小其实是与发生器所产生脉冲型波形是无关的， 主要影响因素是静电放电发生器的储存能量后的电容、 放电型的电阻和外部所带物体的种类。因此需要将不同实验所产生的结果进行对比，用实验时需要的放电回路电缆进行验证， 静电放电发生器输出电流的具体波形参数如表2 所示。 输出电流的具体波形如图3 所示。

表2 波形参数

图3 输出电流的典型波形

2.2 TVS 管概述

瞬态电压抑制器 （Transient Voltage Suppressor，TVS）是一种有效的电子设备电路保护器件，其响应时间短，为亚纳秒级，具有很强的静电放电防护能力。它是以齐纳二极管为基础构成的稳压器件，由半导体材料硅（Si）和碳化硅（SiC）制作而成，其物理结构如图4 所示，PN 结的两边由重参杂的Ⅲ/V 族元素组成[3]。

TVS 的伏安特性如图5 所示，其具有双向稳压作用，同时有很强的电流导通能力。其中UR、UB、IT分别是其在即将发生反向击穿时临界电压、击穿电压及反向电流。 UC表示TVS 管的最大钳位电压，IPP表示TVS 的峰值电流。 一般来说电子设备反向工作时其电压会被TVS 管钳制在UB～UC范围之间。 与稳压管二极管区别的是，IPP的大小更大且TVS 管的响应时间更短。

图4 TVS 管结构图

图5 TVS 的伏安特性曲线

当TVS 的两个边缘受到极短时间内产生的大波动冲击时， 一旦冲击电压超过TVS 所能承受的电压上限时，TVS 会被击穿，由大电阻变成小电阻， 吸取这个很短时间内产生的高值冲击电流， 从而可以有效的将其两侧的电压限制在合理的范围内。因此，通过并联TVS 可以将对电子设备的冲击有效的分散， 使其工作时不受影响。 TVS 分散极短时间内的冲击能力时电路如图6 所示，其抵抗冲击的电路如图7 所示。

图6 TVS 的等效电路

图7 TVS 在PCB 板工作时的等效电路

在瞬时产生的电压发生后TVS管开始受到制约，将峰值电压按规定控制在安全的范围内，如图8，图9 所示。 当产生的冲击值大于其承受值时，TVS 的电阻就会减小，使冲击能量经过TVS，减小被保护电子设备产生干扰； 同时其两侧的冲击电压在TVS 管的合理范围内。 当冲击能量衰弱后，TVS 管又恢复到初始状态。

图8 TVS 管将有害的瞬态牵制在安全范围内

图9 TVS 管将瞬态电流转移到地

3 实验室实际实验概述

3.1 静电放电抗扰度实验

（1）静电放电实验种类：①对导体表面或对耦合平面的接触放电就是不通过其他途径地直接对着物体放电，多数情况下就采用接触放电， 它用尖的电极头对设备可触及的放电点直接放电，从而可以得到工作者与EUT 直接接触时发生的静电放电情况。 耦合平面包括垂直耦合和水平耦合，属于间接放电；②在绝缘表面上的空气放电适用于无法碰到的放电点，如表层加有绝缘层、中间存有空隙等。 它主要模拟工作者对在被测设备附近安置的物体放电时的状态。 它用圆形电极头距EUT 至少15mm，对准放电位置垂直EUT（±15°），以速度小于5 mm/s 缓慢靠近，直到放电[4]。

（2）放电施加点的选择：除非在一些标准里有特殊的规定， 静电放电只对平时工作人员能够经常触碰到的一些外表面和点进行释放。

（3）实验方法：正式实验前需要以20 次/秒的速率对受测装置表面进行全面的快速放电， 这样可以高效率地发现设备敏感度低的具体位置。对于邻近物体间的放电，对摆放在或装配于被测器件周围的物体放电可通过静电放电发生器直接向周围（相距10cm）的耦合板（50cm×50cm）施加电压来效仿。 正式实验时采用如下方法： ①单次放电；②在选定点与地之间进行放电；③每个确认的点都有正负两个极性，用最不易承受极性电压的极性进行放电，并且进行大于10 次实验；④相邻两次放电之间至少间隔1 秒，以便让设备来得及响应；⑤加入TVS 管后再进行一次相同的操作过程；⑥有梯度的缓慢上升至规定值，以避免损坏设备。

3.2 静电放电抗扰度实验结果

实验结果因为前后两次加入了TVS 管而不同， 从图10 和11 可以看出， 加入TVS 管保护后的器件更不容易受到静电放电的干扰， 其静电放电抗扰度性能得到了提升，通常情况下受到静电放电的器件可以分为以下四类：

（1）性能在规定需求的限值内完全正常。

（2）性能短时降低或丧失，不再施加噪声干扰后工作者未介入便自动复还。

（3）性能暂时降低或丧失，并且工作者介入后才能复还。

（4）由于软硬件损坏、数据丢失等，性能降或低丧失， 并且在操作员干预下也不能恢复。

图10 未加TVS 管的电压波形

图11 加入TVS 管后的电压波形

所以通过观察波形图我们可以发现，在未加装TVS 加装时静电放电抗扰度等级所呈现的现象大概介于（2）和（3）之间，而加装TVS 管保护后静电放电抗扰度性能呈现的现象可以上升到（1）与（2）之间，这就说明TVS 管对于提升元器件的静电放电抗扰度性能有着显著的效果。

4 静电放电抗扰度测试相关案例

我们选用一种医用仪器进行加装TVS 管的静电放电抗扰度改造实验， 按照中华人民共和国医药行业标准（YY-0505-2012），其耦合放电应通过8kV 左右的静电放电测试。采用静电枪对设备进行静电放电测试，该款设备的表面金属部分4kV 左右的接触放电测试和非金属部分4kV 左右的空气放电测试均未能通过， 经过几次静电枪放电后显示器上的时间便停止跳动，出现死机现象，如下图12 所示。

通过观察设备并打开外壳后，其内部有带显示器的PCB 电路板，内壳为金属材质并覆盖有绝缘漆层，很多设备都缺乏相应保护措施且没有地线。在进行测试时，瞬间的冲击能量产生的电流进入， 内部设备缺乏抵抗静电的能力，因此测试失败。在进行气隙放电荷耦合放电测试的时候， 由于电磁场的感应作用， 静电放电所产生电流涌入PCB 电路，导致设备不正常工作。

根据以上分析， 可以通过以下三个方面可以对此设备进行静电放电抗扰度改造。

（1）金属杆接地处理：良好的接地可以快速的将静电放电产生电荷释放出去， 使带电体上一些聚集起来的电荷可以避开敏感器件并被迅速导入相连接的地面。 如果金属材质可以采用屏蔽的措施接地， 则其外部会产生与带电导体类型相同，数量相同的电荷将流入地面，金属壳外表面将不会再存在电场， 相当于将壳内的带电体隔离了。故根据以上分析，具体操作如图13，图14 所示。

经过测试， 当设备进行如上接地处理后， 其抗接触放电能力和抗空气放电能力有了较大的改善。

（2） 在对耦合放电敏感的部位贴铜膜进行屏蔽。 通过在设备上包覆一层导电薄膜进行屏蔽。如图15 所示是铜膜屏蔽时的等效模型，图16 是其等效电路图， 当敏感器件被铜箔覆盖时， 一部分由于趋肤效应会将静电放电产生能量反射出去， 另外一些部分由于铜箔层可等效为一个等电位体， 因而其内部空间的电磁场为零， 电压差也为零， 从而提高了设备的静电放电抵御能力。 在测试过程中， 可以通过示波器诊断哪些器件或者哪些管脚对静电比较敏感，然后将其屏蔽。 经过实验，其抗接触放电能力和抗空气放电能力进一步得到了提高。

图12 设备故障情况

图13 接地示意图

（3）在芯片电源端口并联TVS 防护静电放电所产生的电流。 静电放电的极短时间冲击能量会影响到相邻的线路上，会严重危及电子设备器件。鉴于TVS 管抑制静电放电的优良特性以及设备中的PCB 板相对敏感， 故采用将显示屏PCB 板上的时间信号芯片的电源引脚和信号引脚对地并联TVS 的整改措施，如图17 所示。

当电子设备经过一系列测试改造措施后，该款设备其耦合放电已通过行业标准所要求的8kV 左右的静电放电测试，并且其表面金属部分4kV 左右的接触放电测试和非金属部分4kV 左右的空气放电测试均顺利通过实验。

图15 铜膜屏蔽的等效模型

图16 铜膜屏蔽的等效电路图

图17 TVS 处理等效示意图

5 结束语

如今电路的高度集成使得静电俨然变作电力电子领域的潜在破坏者， 要挟了电子产品的正常运行和安全问题。 由于静电不可能消除和避免，一些设备、系统、电子元器件的静电放电抗扰度就显得极为重要。 本文针静电放电抗扰度实验进行了相关的研究， 具体介绍了实验所涉及到的设备以及实验过程， 同时利用相关案例更加清楚的表明了TVS 管在提升静电放电抗扰度所具有的价值，对降低静电放电损害、 确保产品可靠性能有系统的借鉴价值。