搞定ESD（一）：静电放电测试标准解析

文章目录

• 一、基本术语与定义
• • [1.1 基本定义](#1.1 基本定义)
  • [1.2 重要基本术语](#1.2 重要基本术语)
• 二、静电放电发生器介绍
• • [2.1 静电放电发生器的特性：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】](#2.1 静电放电发生器的特性：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】)
  • [2.2 ESD 放电发生器电极规格要求：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】](#2.2 ESD 放电发生器电极规格要求：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】)
  • [2.3 放电回路电缆的要求：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】](#2.3 放电回路电缆的要求：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】)
  • [2.4 不同静电枪测试结果差异分析](#2.4 不同静电枪测试结果差异分析)
• 三、试验布置要求
• • [3.1 台式设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】](#3.1 台式设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】)
  • [3.2 落地式设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】](#3.2 落地式设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】)
  • [3.3 不接地设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】](#3.3 不接地设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】)
  • [3.4 安装设备试验布置实例：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】](#3.4 安装设备试验布置实例：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】)
• 四、静电放电的实施
• • [4.1 静电放电试验实施步骤](#4.1 静电放电试验实施步骤)
  • [4.2 静电放电试验等级列表](#4.2 静电放电试验等级列表)
  • [4.3 对受试设备直接施加的放电](#4.3 对受试设备直接施加的放电)
  • • [4.3.1 静电放电施加在连接器上的情况](#4.3.1 静电放电施加在连接器上的情况)
    • [4.3.2 对受试设备直接施加放电的补充说明（一）](#4.3.2 对受试设备直接施加放电的补充说明（一）)
    • [4.3.3 对受试设备直接施加放电的补充说明（二）](#4.3.3 对受试设备直接施加放电的补充说明（二）)
  • [4.4 施加直接放电试验方法的选择](#4.4 施加直接放电试验方法的选择)
  • [4.5 对受试设备间接施加的放电](#4.5 对受试设备间接施加的放电)
• 五、静电放电试验结果的评价
• • [5.1 静电放电试验结果的评价标准](#5.1 静电放电试验结果的评价标准)
  • [5.2 试验报告内容要求](#5.2 试验报告内容要求)

大家好，我是记得诚。

如之前文章开个新坑所说，我来填坑了。

这个专栏主要介绍ESD，我把专栏的名字取名为：搞定ESD，很多时候，解决一个问题，需要用到大量的知识体系和实战经验。

这个专栏的作者：风陵渡口，CVTE的EMC专家，实战和经验极其丰富。

不多啰嗦，下面是正文。

一、基本术语与定义

1.1 基本定义

ESD（Electrostatic Discharge）静电放电定义：

标准定义：根据 GB/T4365-2003 电工术语 电磁兼容对静电放电的定义：具有不同静电电位的物体靠近或者接触引起的电荷转移。

通用定义：两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或者靠近引起两物体间电荷传递。电荷传递的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电。

接触放电方法：试验发生器的电极保持与受试设备的并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。

空气放电方法：将试验发生器的电极靠近受试设备直至接触到受试设备并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。

直接放电（Direct Application)：直接对受试设备进行放电。

间接放电（Indirect Application)：对受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人员对受试设备附近的物体的放电。

1.2 重要基本术语

保持时间（Holding Time）：

放电之前，由于泄露而使试验电压下降 ≦10%的时间间隔。

上升时间（Rise Time）：

脉冲瞬时值首次从脉冲幅值的 10%上升到 90%所经历的时间。

【GB/T4365-2003 定义 161-02-05】IEC61000-4-2 2008 、GB/T17626-2.2018 版本新增

储能电容器（Energy Storage Capacitor）：

静电放电发生器中的电容器，用以代表人体充电至试验电压值时的电容量。

备注：可以是分立元件或者分布电容。

耦合板（Coupling Plane）简称 CP：

一块金属片或者金属板，对其放电用来模拟对受试设备附近物体的静电放电。HCP 为水平耦合板、VCP 为垂直耦合板。

二、静电放电发生器介绍

静电放电发生器的组成： 充电电阻 Rc、储能电容 Cs、分布电容 Cd、放电电阻 Rd、电压指示器、充电开关、放电开关、可更换的电极头、放电回路电缆、电源装置。

【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018 标准】

2.1 静电放电发生器的特性：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】

2.2 ESD 放电发生器电极规格要求：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】

2.3 放电回路电缆的要求：通用规范【GB/T17626.2-2018 标准】

• 放电回路电缆的长度为（2±0.05)m，其构成应使静电发生器满足电流波形规范要求。
• 放电回路电缆的长度是从 ESD 发生器本体至连接点的末端。它应有足够的绝缘以防止在静电放电试验期间放电电流不通过其端口而流向人员或导体表面。
• 测试中使用的放电回路电缆应和校准中使用的电缆是相同的或等同的。
• 若 2m 长的放电回路电缆不够长（例如较高的受试设备），可以采用不超过 3m 长的电缆，
  同时也要满足发生器电流波形规范要求

2.4 不同静电枪测试结果差异分析

不同静电放电发生器测试差异原因分析：

• 静电放电发生器第一个峰值电流波形后的电流保持时间差异，标准允许±35%的容差。
• 静电放电发生器本体辐射场的差异。
• 关于静电放电发生器的校准请参考标准附录 B。

静电放电发生器的辐射场：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018 标准附录 D】

根据 GB/T17626-2018 D.5 测量静电放电辐射场试验布置实例，距离 45cm 处测试的电场与磁场

三、试验布置要求

3.1 台式设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】

试验布置要求：

• 放在接地参考平面上高度（0.8±0.08) m 的非导电的桌子。
• 放在桌面上的水平耦合板（HCP）尺寸为（1.6±0.02）m×(0.8±0.02）m，并用一个厚（0.5±0.05）mm 的绝缘垫隔离。
• 如果受试设备过大而不能保持于水平耦合板各边的最小距离为 0.1m，则应使用另一块相同的水平耦合板，并与第一块保持（0.3±0.02）m。使用两张桌子，耦合板接地方式保持相同就可以。

3.2 落地式设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】

试验布置要求：

• 受试设备用 0.05m~0.15m 厚的绝缘支撑与接地参考平面隔开。
• 受试设备的电缆用厚度约为（0.5±0.05）mm 厚的绝缘支撑与接地参考平面隔开。电缆的隔离应超过受试设备隔离的边缘。
• 落地设备试验布置的实验如图。
• 任何与受试设备有关的安装脚架应保持原位。

3.3 不接地设备试验布置要求：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】

不接地设备试验说明：

• 设备或设备部件，包括便携式、有或者没有充电器（电源线不接地）的电池供电设备（内部或者外部）和双重绝缘设备（II 类设备）。
• 不接地设备或设备的不接地部件不能如 I 类供电设备自行放电。若在下一个静电放电脉冲施加前电荷未消除，受试设备或受试设备的部件上的累积电荷可能使电压为预期试验电压的两倍。双重绝缘设备的绝缘体电容经过几次静电放电累积，可能充电至异常高，然后以高能量在绝缘击穿电压处放电。
• 不接地设备或设备的不接地部件不能如 I 类供电设备自行放电。若在下一个静电放电脉冲施加前电荷未消除，受试设备或受试设备的部件上的累积电压与静电放电电压相同时，两者之间因为等电位原因而无法施加静电放电。
• 为模拟单次静电放电（空气放电或者接触放电），在施加每个静电放电脉冲之前应消除受试设备上的电荷，即对施加静电放电的金属点、连接器外壳、金属天线上进行电荷泄放。
• 对受试设备一个或几个可接触到的金属部分进行静电放电试验，为保证施加静电放电点电荷消除，可以采用带泄放电阻电缆的方式泄放电荷。
• 带泄放电阻的电缆，应采用类似于耦合板接地电阻连接方式，即靠近受试设备的试验点 20mm 处放置第一颗电阻，第二颗电阻应靠近电缆的末端。（具体参考不接地设备试验布置实例）。
• 带泄放电阻电缆的存在会影响某些设备的试验结果，若在连续放电之间电荷能有效地衰减或消除，不使用带泄放电阻的电缆进行静电放电试验优于使用带泄放电阻的电缆进行静电放电试验。

3.4 安装设备试验布置实例：【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018】

四、静电放电的实施

4.1 静电放电试验实施步骤

受试设备试验布置确认：

受试设备是台式设备、落地式设备、不接地设备、还是按照安装后设备进行试验布置。

受试设备试验等级确认：

根据出货地区、客户要求选定试验等级。

受试设备试验方法确认：

根据产品特性、应用场景要求，结合标准中关于接触放电与空气放电实施的要求，选择适宜的试验方法。

静电放电施加测试点与测试次数的确认：

根据产品应用环境终端使用场景，结合标准要求确定静电放电施加测试点与测试次数。

4.2 静电放电试验等级列表

试验等级的选择：

对于接触放电试验，按照产品的试验等级进行，除非产品委员会有不同的规定。对于空气放电试验，应按照试验等级表规定的等级逐级实施，直至达到规定的试验等级。

【IEC61000-4-2.2008、GB/T17626.2-2018 新增要求】

试验等级应按照最切合实际的安装和环境条件来选择，试验等级的指导原则如下表：

4.3 对受试设备直接施加的放电

除非在通用标准、产品标准或产品类标准中有其他规定，静电放电只施加在正常使用时人员可接触到的受试设备上的点和面。下面是例外的情况（放电不施加在下述点）。

• 在维修时才接触得到的点和表面。这种情况下，特定的静电放电简化方法应在相关文件中注明。
• 最终用户保养时接触到的点和表面，这些极少接触到的点，如换电池时接触到的电池触点，录音电话中的磁带、如拆装机器人灰盒时触摸到的金属触点等。
• 设备安装固定后或按使用说明使用后不再能接触到的点和面，例如底部和/设备的靠墙面或安装端子后的地方、电视产品安装壁挂的金属螺丝孔等。
• 外壳为金属的同轴连接器或多芯连接器可接触到的点。该种情况下，仅对连接器的外壳施加接触放电。非导电（塑料）连接器内可接触到的点，应只进行空气放电试验。试验适用静电发生器的圆形电极头。
• 由于功能原因对静电放电敏感并有静电放电警告标签的连接器或其他接触部分可接触到的点和面如测量、接收或其它通讯功能的射频输入端。

4.3.1 静电放电施加在连接器上的情况

4.3.2 对受试设备直接施加放电的补充说明（一）

高频连接器端子用于处理高频模拟信号与高速数字信号，过压保护器件的寄生电容对于信号的高频分量衰减较大，在器件选用时应给予足够的关注，有时使用带通滤波器也是一种解决方案。

• 试验应以单次放电的方式进行。在预选点上，至少施加十次单次放电（最敏感的极性）。
• 放电次数取决于受试设备，有放电回路的设备需要增加更多的放电次数。
• 连续单次放电之间的时间间隔建议为 1s，但是为了确定系统是否发生故障，可能需要较长的时间间隔。
• 放电点通过以 20 次/S 或以上放电重复率来进行试探的方法加以选择。
• 静电放电发生器应尽可能保持与实施放电的表面垂直，以改善试验结果的可重复性。如静电放电发生器不能和施加表面保持垂直，放电采用的测试方法应记录在报告中。
• 当实施放电的时候，发生器的放电回路电缆与受试设备的距离至少应保持 0.2m，并且操作者不能够手持放电回路电缆。
• 在接触放电的情况下，放电电极的顶端应在操作放电开关之前接触受试设备。

4.3.3 对受试设备直接施加放电的补充说明（二）

对于表面涂漆的情况，应采用以下的操作程序：

• 如设备制造厂家未说明涂膜为绝缘层，则放电发生器的电极头应穿入漆膜，以便与导电层接触。如厂家指明涂漆是绝缘层，则应只进行空气放电。（这类表面不应进行接触放电试验）。
• 在空气放电的情况下，放电电极的圆形放电头应尽可能快地接近并触及受试设备。每次放电之后，应将 静电放电发生器的放电电极从受试设备移开，然后重新触发发生器，进行单次放电，这个程序应当重复至放电完成为止。
• 在空气放电试验的情况下，用作接触放电的放电开关应当闭合或者关闭。

4.4 施加直接放电试验方法的选择

接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用在不能使用接触放电的场合中，试验等级表给出了每种试验方法的电压。由于试验方法不同，每种方法的电压不同，这并不表示两种试验方法的严酷程度相同。

空气放电的局限性

• 一般而言，空气放电的再现性受放电头接近速度、湿度和试验设备结构的影响，并导致脉冲上升时间、放电电流幅度的差异。
• 空气放电是利用充电的电容器通过放电电极在受试设备表面上形成火花间隙来模拟的，当接近速度变化时，由此产生的放电电流的上升时间能从小于 1ns 到大于 20ns 之间变化；即使保持接近速度不变，也不会使上升时间不变。综合电压和速度的影响，上升时间受到的影响可高达 30 倍。
• 空气放电能在高等级电压中产生多个连续放电。

4.5 对受试设备间接施加的放电

对于放置于或安装在受试设备附近的物体的放电应用静电放电发生器对耦合板接触放电的方式来模拟。

• 垂直耦合板接触放电。
• 水平耦合板接触放电。
• 放电开关闭合前，放电电极应接触耦合板的边缘。
• 放电应施加在耦合板上，通过调整耦合板位置，使受试设备四面不同的位置都受到放电试验。

五、静电放电试验结果的评价

5.1 静电放电试验结果的评价标准

试验结果应依据受试设备在试验中的功能丧失或性能降低现象进行分类，相关的性能水平由设备的制造商或需要方确定，或由产品的制造商和购买方双方协商同意。推荐按以下要求分类：

A 级判定(Criterion A)：

指产品功能在测试前后及测试过程中完全可以正常操作，无任何功能减低或异常现象出现，完全不受 ESD 放电影响，则称产品符合 A 级判定结果。

B 级判定(Criterion B)：

指产品在测试过程中，功能会受 ESD 放电影响，在放电瞬间会暂时性的功能降低，但可以自动恢复，这样的产品则称符合 B 级判定结果。

C 级判定(Criterion C)：

指产品功能在测试前可正常被操作，但测试过程中受 ESD 放电影响，出现功能降低或异常且功能无法自动恢复，必须经由操作人员做重置(Re-set)或重开机的动做才能恢复功能，这情形则仅符合 C 级判定结果。

D 级判定(Criterion D)：

指产品功能在测试前可正常被操作，测试过程中出现异常，由操作人员做重置(Re-set)或重开机也不能恢复功能，这种情况大概产品已损伤严重，仅符合 D 级判定结果。

静电放电结果的评价的补充说明：

• 由制造商提出的技术规范可以规定对受试设备产生的某些影响是不重要的，因而是可接受的试验影响。
• 这种分类可以由负责相关产品的通用标准、产品标准和产品类标准的专业标准化技术委员会作为明确表达功能准则的指南。
• 在没有合适的通用、产品或产品类标准时，可作为制造商和购买方协商的性能规范的框架。

5.2 试验报告内容要求

试验报告应包括能重现试验的全部信息，特别是下列内容：

• 受试设备和辅助设备的标识。例如产品型号、序列号、品牌信息。
• 试验设备的标识，例如商标、产品型号、序列号。
• 试验环境信息，例如环境温度、湿度、大气压。
• 进行试验所需的任何特定条件。
• 制造商、委托方或购买方规定的性能水平。
• 在通用、产品或产品类标准中规定的性能要求。
• 试验时在骚扰施加期间及以后观察到的对受试设备的任何影响，及其持续时间。
• 试验通过/失败的判断原因。
• 试验配置和受试设备布置图片。
• 受试产品的配置信息，例如软件版本、板卡版本、关键器件信息。

全文完，我们下一期见。