靜電放電波形校準研究和電流分布統計

(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

在汽車電子、醫療、消防等領域中，隨著科學技術的發展，電子控制部分的功能越來越強大，電路越來越復雜，電磁敏感度越來越高，為確保電子設備有能力抵御在實際生活和工程中的靜電干擾，對這些電子設備進行靜電放電試驗尤為重要。靜電放電發生器是進行靜電放電抗擾度試驗的主要工具，而對靜電放電發生器進行校準就是為了開展靜電放電抗擾度試驗并保證試驗結果準確、可重復的前提條件和必要條件。

2 靜電耙原理

靜電放電校準基本原理是對靜電槍參數進行測量、采集，從時域上分析靜電參數的波形特性，從而完成靜電參數測量并達到對靜電槍的校準的目的。靜電是個大電流信號，無法直接對它進行測試分析，必須通過某種電流-電壓轉換器對它進行采集，并轉化為能夠通過高速帶寬示波器顯示、存儲的時域信號。

靜電放電校準裝置在不考慮自由電子和空間電荷散射的前提下，主要包括靜電放電電流靶、同軸衰減器、數字示波器組成，如圖1所示。靜電槍輸出靜電放電環境，通過示波器進行采集，在示波器上顯示放電脈沖信號，來校準靜電槍參數。

圖1 校準連接框圖

由于示波器顯示的是時域范圍內各類電信號的電壓與時間之間的關系，不能直接測量電流參數，因此，需要通過靜電靶，將電流值轉換為電壓值。

靜電耙的工作原理為：電流傳感器內部有很多電阻，這些電阻經過特殊排列，最終等效成輸入端為2Ω采樣電阻，輸出端為48Ω的匹配電阻，這種結構能與示波器保持良好的阻抗匹配，保證靜電脈沖波形不失真[1]，如圖2所示。

圖2 靜電耙原理圖

U1表示靜電放電發生器的放電電壓，U2表示示波器的測量值，I表示需要測量的放電電流。

由I=I1+I2

U1=2I1

U1=48I2+50I2

U2=50I2

可得：I=U2

它們的比值等于1，這意味著靜電槍發出的電流大小等比于示波器上電壓測量值的大小。在靜電靶和示波器之間加裝30dB衰減器，以適應示波器量程。

圖3中，上圖為帶有法拉第籠靜電放電校準示意圖，下圖為無法拉第籠靜電放電校準示意圖。通過使用示波器采集無法拉第籠和有法拉第籠兩種條件下靜電放電波形數據進行比較分析。

圖3 靜電放電校準示意圖

3 數據分析

依據IEC61000-4-2標準要求的校準參數如表1所示(所選放電模塊為150pF,330Ω)。

圖4 標準電流曲線

表1 波形指標參數

標準要求的采樣參數為放電的第一個峰值電流，放電開關操作時的上升時間，在30ns時的電流和在60ns時的電流[2]。表2為無法拉第籠和有法拉第籠兩種條件下通過示波器采集得到的數據。

表2 校準波形數據對比

以4kV放電電壓為例，圖4為無法拉第籠和有法拉第籠兩種條件下通過示波器采集得到的波形。(左圖為無法拉第籠的條件下測量波形，右圖為用同一靜電槍有法拉第籠的條件下測量波形)。

圖5 校準波形對比

4 結論

通過以上數據可以看出，無法拉第籠和有法拉第籠兩種條件下，波形數據整體電流曲線基本吻合，各個采樣點的電流值無差異。原因有二：其一，靜電放電校準是通過槍內電容放電與耙內電阻產生一個回路，示波器是測試其線路內的電壓波形；其二，靜電放電是帶電體通過近場向外放電，耦合出的是近場輻射，靜電耙的1.5m*1.5m的鋁板亦可以起到吸收自由電荷和抑制散射的屏蔽作用。所以，靜電放電在無法拉第籠條件下進行校準具有可行性，必要情況下需在屏蔽室內進行，使靜電放電校準工作更方便、靈活。