王書平 王 彪

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，石家莊 050003)

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ESD模擬器電壓校準方法研究

王書平 王 彪

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，石家莊 050003)

本文在研究不同類型ESD模擬器放電電壓校準的基礎上，為不能從ESD模擬器放電電極進行校準的模擬器提出了新的校準方法，即用間接測量法對ESD模擬器的多個參數進行校準，根據校準結果判斷被校ESD模擬器的放電電壓是否滿足相關標準的要求。該方法對ESD模擬器具有普遍適用性。

ESD模擬器；放電電壓；校準

0 引言

隨著電子器件向微型化、高集成化和低功耗方向發(fā)展，靜電放電(ESD)對電子器件及其組成的電子設備/產品造成的危害越來越嚴重。據統(tǒng)計，在全球電子工業(yè)損失中，約有33%是靜電造成的[1]。目前，我國強制對電子產品實施的3C認證，就包含ESD抗擾度試驗。ESD擾度試驗所用的測試設備就是ESD模擬器。為了保證靜電放電抗擾度測試的準確性，需要對ESD模擬器進行定期校準。

目前，國際公認的靜電放電抗擾度測試標準是國際電工委員會標準IEC61000-4-2(EMC-Part4-2，2008)。我國現(xiàn)行的GB/T17626.2-2006標準中“靜電放電抗擾度試驗”等同于IEC61000-4-2標準2001版。標準規(guī)定了靜電放電電流波形參數指標和具體的校準方法，規(guī)定了ESD模擬器的放電電壓的技術指標和校準部位。

依據我國現(xiàn)行校準規(guī)范對模擬器進行校準，由于ESD模擬器放電槍設計結構不同，有些放電電壓校準結果超出了指標要求。因此，需要研究放電電壓的校準方法。本文針對不同種類的槍式ESD模擬器進行放電電壓校準，研究并提出合理的校準方法。

1 相關標準對ESD模擬器的總要求和校準設備要求

ESD抗擾度試驗標準IEC61000-4-2規(guī)定了ESD模擬器應滿足的總要求[2]，如表1所示。

表1 ESD模擬器總要求

注：① 開路電壓在ESD模擬器放電電極處測量； ② ESD模擬器能夠產生至少20次/s的放電； ③ 測試電壓較低時，不需要使用15kV的空氣放電。

從表1中可以看出，ESD模擬器放電電壓的校準是在開路狀態(tài)下測量放電電極上的電壓，按照標準中的標注，兩種放電方式下的放電電壓都要進行校準，但在該標準中沒有給出校準儀器應滿足的技術指標。在JJF 1397—2013“靜電放電模擬器校準規(guī)范”中，規(guī)定ESD模擬器輸出電壓校準可在接觸式或空氣式放電模式下進行，校準用設備要求為高壓表或具有類似功能和指標的單臺儀器或多臺儀器的組合[3]，技術指標要求為：量程：≥15kV；輸入阻抗：≥1GΩ。

2 不同型號ESD模擬器放電電壓的測試結果

根據JJF 1397—2013“靜電放電模擬器校準規(guī)范”，采用滿足要求的JDY-3A靜電電位動態(tài)測試儀，對不同型號ESD模擬器的放電電壓進行測試。

JDY-3A靜電電位動態(tài)測試儀的技術指標為：

輸入阻抗：≥1.0×1012Ω；

測量范圍：0～±1.999kV(2kV檔)；0～±19.99kV(20kV檔)；

最大允許誤差：±1.0%。

被校ESD模擬器為NSG435型、NS61000-2A型和ESS-200AX型ESD模擬器。三種型號ESD模擬器的放電網絡全部為人體-金屬模型，即充電電容為150pF、放電電阻為330Ω。放電電壓按照IEC61000-4-2標準規(guī)定的四個放電等級進行，放電電壓測試結果見表2～表4。

表2 NSG435型ESD模擬器測試數據

表3 NS61000-2A ESD模擬器測試數據

表4 ESS-200AX ESD模擬器測試數據

從表2可以看出，當采用空氣式放電方式時NSG435型ESD模擬器放電電極上的測試值與該模擬器的顯示值滿足相關標準規(guī)定的±5%的誤差，而采用接觸式放電方式時，放電電極上的電壓與NSG435型ESD模擬器的顯示值相差甚遠，因此，NSG435型ESD模擬器放電電壓的校準不能采用接觸式放電來進行。

從表3和表4可以看出，NS61000-2A型ESD模擬器和ESS-200AX型ESD模擬器不管采用哪種放電方式，其測試值與被校模擬器上的顯示值相差較多，不能滿足IEC61000-4-2標準的要求。

3 ESD模擬器放電電壓測試結果不一致的原因分析

在靜電放電抗擾度測試的相關標準中，只給出了ESD模擬器的簡要框圖，如圖1所示，并沒有給出模擬器的構造詳圖。其中，電容Cs+Cd為150pF，Cs為放電網絡的充電電容，Cd為分布電容，放電電阻Rd為330Ω。

圖1 ESD模擬器的原理框圖

單從圖1來分析ESD模擬器放電電壓的校準，不能說明空氣式放電電壓校準與接觸式放電壓校準的不同，需要從ESD模擬器的實際結構去分析。

目前，一般的ESD模擬器大多是利用集總參數電路來實現(xiàn)其功能的。放電方式分為空氣式放電和接觸式放電?？諝馐椒烹娛前聪驴刂崎_關使模擬器放電電極帶上高壓，然后使放電槍接近被測設備，當放電電極與被測設備間達到放電條件時，發(fā)生放電；而接觸式放電是放電電極與被測設備的測試點相接觸，然后，按下放電開關通過放電槍內的繼電器進行放電。由于兩種放電方式的控制開關在電路中的位置不同，因此，按下控制開關時，放電電極上所帶的電壓不一定是充電電容上的開路電壓，導致ESD電壓校準時出現(xiàn)了上述問題。

此外，由于集總器件本身及其布置產生的寄生參數以及ESD模擬器的分布參數等使得ESD模擬器的等效電路變得復雜，ESD模擬器放電槍的等效電路可用圖2來示意。其中，Cs+Cd和Rd仍代表放電模擬器的放電網絡，C2和C3代表放電槍對放電物體形成的分布電容和對地形成的分布電容，Ld為放電電阻的分布電感，L1為連接部位的電感，L2為放電回路電纜的分布電感，因此，實際ESD模擬器的等效電路比簡單的原理電路復雜的多。國內有些研究人員對ESD模擬器放電時的雜散參數和分布參數進行了模擬仿真，并確定了ESD模擬器等效電路中的一些分布電容和分布電感參數值[4]。

圖2 ESD模擬器放電槍等效電路

由于不同廠家生產的ESD模擬器結構不同，使得其內部的分布參數值也不同，也影響了開路狀態(tài)下放電電極上的電壓值。因此，如何判斷開路狀態(tài)下放電電極放電電壓值的大小，成為ESD模擬器放電電壓校準的難題。

4 ESD模擬器放電電壓校準方法研究

根據ESD模擬器的不同結構，其靜電放電電壓的校準可以分成以下兩種情況：

4.1 采用空氣式放電方式進行校準

對于像NSG435型ESD模擬器，可以采用空氣式放電方式對其ESD電壓進行校準。雖然該種ESD模擬器在接觸式放電方式下校準的放電電壓值不能滿足IEC61000-4-2標準的要求，但如果空氣式放電方式下其靜電放電電壓準確，足以說明ESD模擬器的放電網絡滿足標準要求。

4.2 采用校準ESD模擬器的高壓源、充電電容和放電電阻的方法進行校準

對于像NS61000-2A型ESD模擬器和ESS-200AX型ESD模擬器，無法從放電電極端進行校準，但為了實現(xiàn)靜電放電電壓的校準，必須采用其它的方法來解決。

從計量的角度來分析，如果不能采用直接測量法，那么可以考慮采用間接測量法。由于放電電極上的開路電壓反應的是充電電容上的電壓，所以，如果能夠保證給電容充電的高壓源和充電電容的性能，那么就能保證充電電容放電電壓的準確性。此外，考慮到標準對放電網絡整體的要求，所以，增加了放電電阻的校準，根據這些分析，擬采用校準ESD模擬器高壓源、充電電容和放電電阻的方法實現(xiàn)ESD模擬器放電電壓的校準。

針對ESS-200AX型ESD模擬器高壓源、充電電容(150pF)和放電電阻(330Ω)進行了校準試驗，數據見表5和表6。

從校準數據來看，ESS-200AX型ESD模擬器高壓源的最大誤差是-1.0%、充電電容的誤差為7.4%、放電電阻的誤差為-3.7%，GB/T17626.2標準要求充電電容和放電電阻的誤差為±10%[5]，所以，ESS-200AX型ESD模擬器充電電容和放電電阻兩個參數的誤差滿足標準的要求，而且其高壓源的誤差滿足±5%，說明ESS-200AX型ESD模擬器放電網絡提供的放電電壓滿足標準的要求。此外，對ESS-200AX型ESD模擬器進行了靜電放電電流測試，其技術指標滿足JJF1397-2013對接觸式靜電放電電流參數的要求。綜合上述兩項指標可判斷被校ESS-200AX型ESD模擬器滿足JJF 1397-2013。因此，對不能從放電電極端進行放電電壓校準的ESD模擬器，可以采用間接測量法，即校準ESD模擬器的高壓源、充電電容和放電電阻的方法對ESD模擬器進行校準。

表5 ESS-200AX ESD模擬器高壓源校準值

表6 ESS-200AX充電電容和放電電阻校準值

5 結語

通過對不同型號的ESD模擬器放電電壓進行校準測試，發(fā)現(xiàn)ESS-200AX型和NS61000-2A型ESD模擬器放電電壓校準不能完全按照JJF 1397-2013標準要求進行。對于該類ESD模擬器，提出間接測量法，即通過校準ESD模擬器高壓源、充電電容和放電電阻的方法實現(xiàn)ESD模擬器的校準。上述方法不確定度的來源有所增加，但只要選擇合適的校準儀器，就可解決ESD模擬器放電電壓校準的難題。該校準方法對ESD模擬器具有普遍適用性，從而保證了ESD抗擾度試驗的準確性。

[1] 劉尚合，魏光輝，劉直承，等.靜電理論與防護[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999

[2] IEC 61000-4-2：Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 4-2：Testing and measurement techniques-Electrostatic discharge immunity test [S]，2008

[3] JJF 1397—2013靜電放電模擬器校準規(guī)范[S]，2013

[4] 劉素令，段平光，李霞，等.靜電放電模擬器電路建模分析[J].電波科學學報，2009，42(6)

[5] GB/T 17626.2 電磁兼容·試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗[S]，2006

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.17