施 濱 蔡 青/. 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院；. 上海交通大學(xué)

靜電是電子設(shè)備的一個主要的干擾源，在校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時應(yīng)盡量避免人體靜電等外界干擾的存在。該文分析校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時外界干擾的影響，提出研制通用的可自由升降式的非接觸式測試支架的解決方案，通過對多種型號的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對，證實(shí)能消除人體電容等外界因素帶來的校驗(yàn)誤差。

0 引言

靜電是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，在人體行走、站立、操作設(shè)備等活動過程中都會產(chǎn)生靜電，任何物質(zhì)（固體、液體、氣體）只要有接觸與分離就會產(chǎn)生靜電。處處存在的靜電是看不見、摸不到的，但對現(xiàn)代高速高集成的電子設(shè)備卻是一個時時刻刻存在的殺手。靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）[1]是具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移，是電子設(shè)備中的一個主要的干擾源，它可能導(dǎo)致系統(tǒng)邏輯錯誤、程序出錯、數(shù)據(jù)丟失等，情況嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備或器件的損壞，如介質(zhì)擊穿，IC擊穿。由于帶靜電的人體或設(shè)備與地之間可能存在靜電放電的路徑和流向，因此人體可以攜帶靜電，帶靜電的人體接觸電子設(shè)備或其中的電子器件時，就有可能損壞電子器件。

因此，歐洲與美國早在20世紀(jì)90年代就制定了嚴(yán)格的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對于進(jìn)入歐美市場的電子產(chǎn)品必須符合電磁兼容的要求，其中最主要的一項(xiàng)就是靜電放電檢驗(yàn)。我國在20世紀(jì)90年代末制定了電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)（基本上與國際標(biāo)準(zhǔn)一致），規(guī)定檢驗(yàn)所使用的設(shè)備就是靜電放電發(fā)生器。

1 校驗(yàn)時外界干擾影響分析

以往校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時，一般按照《GB/T 17626.2-2006 電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》要求的典型布置圖進(jìn)行，該布置圖給出了校驗(yàn)所需的示波器、標(biāo)靶、法拉第籠的接線方式，但是對于靜電放電發(fā)生器的放置卻并未給出詳細(xì)的描述，從而導(dǎo)致人體及外界感應(yīng)電容的存在對校驗(yàn)過程造成影響。

在實(shí)際校驗(yàn)過程中，人體可等效于一個電容，因此用手持靜電放電發(fā)生器的方式進(jìn)行校驗(yàn)，會帶來許多未知的誤差。從圖1、圖2中不難看出，用手持的方式校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時，會有人體及外界的感應(yīng)電容存在。例如，對10個人分別進(jìn)行電容測試，數(shù)據(jù)如表1。

圖1 靜電放電發(fā)生器原理圖

圖2 手持校驗(yàn)時外界干擾影響示意圖

表1 10個人電容測試值

可以看出每個人的電容值均不同，而當(dāng)環(huán)境的溫度、濕度發(fā)生變化時，每個人的電容值，還會發(fā)生變化。

為了說明不同的人體電容會對校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器產(chǎn)生不同的影響，分別做了7組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對照。在電壓為2 kV時，同一個人分別用一只手握和兩只手握靜電放電發(fā)生器的方式，所得的校驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示；在電壓為2 kV時，不同的5個人分別用一只手握靜電放電發(fā)生器所得的數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 同一人不同方式測得的數(shù)據(jù)比較

表3 不同人員同一方式測得的數(shù)據(jù)比較

由此可以看出，人員變化或者人員測試方式發(fā)生變化可以看為電容值的變化，帶來的影響主要是第一峰值電流數(shù)據(jù)的不同，測量誤差也難以控制。因此，如何完整地、有效地校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器的性能一直是一個難題。

目前，國內(nèi)校驗(yàn)機(jī)構(gòu)在校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時，使用的主要設(shè)備有法拉第籠（或屏蔽室）、標(biāo)靶、示波器，在整個校驗(yàn)過程中由兩個人合作完成，一人手持操作靜電放電發(fā)生器，而另一人操作示波器，完全未考慮到人體及外界的感應(yīng)電容對整個測量的影響，其帶來的測量誤差也就是個未知數(shù)。國外廠商在校驗(yàn)各自生產(chǎn)的靜電放電發(fā)生器時，除了以上設(shè)備，還配備了靜電放電發(fā)生器專用的支架，主要是三角架和簡單的木板架兩種。但存在覆蓋面窄、只針對其生產(chǎn)的產(chǎn)品的缺陷，另外對于靜電放電發(fā)生器的接地線部分尚未采取任何措施，任由其懸掛，這樣還會存在重復(fù)性測量較差的缺陷。同時未對校驗(yàn)裝置采取任何措施，仍需人體近距離操作示波器，依然有測量誤差。

2 解決外界干擾影響的方案

針對以上問題，提出非接觸式校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器的概念，一舉消除了人體及外界的感應(yīng)電容對測量的影響，從而能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。方法是，在國內(nèi)校驗(yàn)的布置上，特別研制了可自由升降的通用支架，能符合市場上所有的靜電放電發(fā)生器使用，如圖3、4所示。同時開發(fā)了軟件，在Labview8平臺上編寫的操作軟件，能遠(yuǎn)距離程控示波器，取代人體直接操作，達(dá)到實(shí)時等效的功能，起到隔離的作用，徹底消除了人體及外界的感應(yīng)電容對測量的影響。

圖3 本文中制作的通用校驗(yàn)支架

圖4 非接觸方法校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器接線圖

3 測試數(shù)據(jù)比較

通過使用非接觸式和手持接觸式方法分別對生產(chǎn)廠家為EM TEST，型號為dito，編號為V0811103518的同一靜電放電發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖5、6中畫圈的部分以及數(shù)據(jù)比較可以看出，該靜電放電發(fā)生器利用非接觸方法校驗(yàn)第一峰值電流明顯比手持方法要大，而且在第一峰值電流與30 ns處電流之間有一個明顯的突起存在。

圖5 改進(jìn)后校驗(yàn)波形

圖6 手持時校驗(yàn)波形

波形參數(shù)（非接觸式）見表4。

表4 非接觸式校驗(yàn)時的波形參數(shù)

波形參數(shù)（手持式）見表5。

表5 手持方式校驗(yàn)時的波形參數(shù)

通過對NSG435、ESD3000、ESS-2002、MZ-15/EC、NS61000-2K等不同型號的靜電放電發(fā)生器進(jìn)行校驗(yàn)，觀察波形圖中差異部分以及數(shù)據(jù)比較可以看出，改進(jìn)后的非接觸方法校驗(yàn)電流波形與手持方法之間有著明顯的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 兩種方式校驗(yàn)的結(jié)果

4 結(jié)論及建議

通過對以上幾組靜電放電發(fā)生器進(jìn)行校驗(yàn)比較，可以得出以下結(jié)論：非接觸方法校驗(yàn)的數(shù)據(jù)與手持校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器有著明顯的差異。利用手持方式校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器，由于每個人的個體不同，帶來的校驗(yàn)結(jié)果千變?nèi)f化，而使用非接觸方法校驗(yàn)，能一舉消除外界的干擾，使得數(shù)據(jù)更為真實(shí)、可靠、有效。

即將出版的新版《靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī)范》[2]中明確規(guī)定“在校準(zhǔn)過程中，靜電放電模擬器安裝在三腳架或者等效的非金屬的低損耗支持物上?！彼?，建議在校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時，嚴(yán)格按照校準(zhǔn)規(guī)范中的規(guī)定操作。另外，在進(jìn)行靜電放電發(fā)生器試驗(yàn)時，也可利用三角架或等效的非金屬的低損耗支持物，從而保證試驗(yàn)的有效性、可靠性。

[1] 全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 17626.2-2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2] 全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會.靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī)范(征求意見稿) [S].