非接觸式支架與手持方式校驗靜電放電發生器之差異

施 濱 蔡 青/. 上海市計量測試技術研究院；. 上海交通大學

靜電是電子設備的一個主要的干擾源，在校驗靜電放電發生器時應盡量避免人體靜電等外界干擾的存在。該文分析校驗靜電放電發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行實驗比對，證實能消除人體電容等外界因素帶來的校驗誤差。

0 引言

靜電是自然界中普遍存在的現象，在人體行走、站立、操作設備等活動過程中都會產生靜電，任何物質（固體、液體、氣體）只要有接觸與分離就會產生靜電。處處存在的靜電是看不見、摸不到的，但對現代高速高集成的電子設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移，是電子設備中的一個主要的干擾源，它可能導致系統邏輯錯誤、程序出錯、數據丟失等，情況嚴重時會導致設備或器件的損壞，如介質擊穿，IC擊穿。由于帶靜電的人體或設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90年代就制定了嚴格的強制標準和法規，對于進入歐美市場的電子產品必須符合電磁兼容的要求，其中最主要的一項就是靜電放電檢驗。我國在20世紀90年代末制定了電磁兼容的標準（基本上與國際標準一致），規定檢驗所使用的設備就是靜電放電發生器。

1 校驗時外界干擾影響分析

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

在實際校驗過程中，人體可等效于一個電容，因此用手持靜電放電發生器的方式進行校驗，會帶來許多未知的誤差。從圖1、圖2中不難看出，用手持的方式校驗靜電放電發生器時，會有人體及外界的感應電容存在。例如，對10個人分別進行電容測試，數據如表1。

圖1 靜電放電發生器原理圖

圖2 手持校驗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，而當環境的溫度、濕度發生變化時，每個人的電容值，還會發生變化。

為了說明不同的人體電容會對校驗靜電放電發生器產生不同的影響，分別做了7組實驗進行對照。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生器的方式，所得的校驗數據如表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生器所得的數據如表3所示。

表2 同一人不同方式測得的數據比較

表3 不同人員同一方式測得的數據比較

由此可以看出，人員變化或者人員測試方式發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據的不同，測量誤差也難以控制。因此，如何完整地、有效地校驗靜電放電發生器的性能一直是一個難題。

目前，國內校驗機構在校驗靜電放電發生器時，使用的主要設備有法拉第籠（或屏蔽室）、標靶、示波器，在整個校驗過程中由兩個人合作完成，一人手持操作靜電放電發生器，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。國外廠商在校驗各自生產的靜電放電發生器時，除了以上設備，還配備了靜電放電發生器專用的支架，主要是三角架和簡單的木板架兩種。但存在覆蓋面窄、只針對其生產的產品的缺陷，另外對于靜電放電發生器的接地線部分尚未采取任何措施，任由其懸掛，這樣還會存在重復性測量較差的缺陷。同時未對校驗裝置采取任何措施，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，提出非接觸式校驗靜電放電發生器的概念，一舉消除了人體及外界的感應電容對測量的影響，從而能保證測量結果的準確可靠。方法是，在國內校驗的布置上，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生器使用，如圖3、4所示。同時開發了軟件，在Labview8平臺上編寫的操作軟件，能遠距離程控示波器，取代人體直接操作，達到實時等效的功能，起到隔離的作用，徹底消除了人體及外界的感應電容對測量的影響。

圖3 本文中制作的通用校驗支架

圖4 非接觸方法校驗靜電放電發生器接線圖

3 測試數據比較

通過使用非接觸式和手持接觸式方法分別對生產廠家為EM TEST，型號為dito，編號為V0811103518的同一靜電放電發生器進行實驗。從圖5、6中畫圈的部分以及數據比較可以看出，該靜電放電發生器利用非接觸方法校驗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 改進后校驗波形

圖6 手持時校驗波形

波形參數（非接觸式）見表4。

表4 非接觸式校驗時的波形參數

波形參數（手持式）見表5。

表5 手持方式校驗時的波形參數

通過對NSG435、ESD3000、ESS-2002、MZ-15/EC、NS61000-2K等不同型號的靜電放電發生器進行校驗，觀察波形圖中差異部分以及數據比較可以看出，改進后的非接觸方法校驗電流波形與手持方法之間有著明顯的區別，實驗結果見表6。

表6 兩種方式校驗的結果

4 結論及建議

通過對以上幾組靜電放電發生器進行校驗比較，可以得出以下結論：非接觸方法校驗的數據與手持校驗靜電放電發生器有著明顯的差異。利用手持方式校驗靜電放電發生器，由于每個人的個體不同，帶來的校驗結果千變萬化，而使用非接觸方法校驗，能一舉消除外界的干擾，使得數據更為真實、可靠、有效。

即將出版的新版《靜電放電模擬器校準規范》[2]中明確規定“在校準過程中，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。”所以，建議在校驗靜電放電發生器時，嚴格按照校準規范中的規定操作。另外，在進行靜電放電發生器試驗時，也可利用三角架或等效的非金屬的低損耗支持物，從而保證試驗的有效性、可靠性。

[1] 全國電磁兼容標準化技術委員會.GB/T 17626.2-2006[S].北京：中國標準出版社，2007.

[2] 全國無線電計量技術委員會.靜電放電模擬器校準規范(征求意見稿) [S].