ESD抗扰度测试实质

木仔科技 2024-03-09 11:17:56

EMC测试标准之一:IEC 61000-4-2 ESD静电放电抗扰度测试,是模拟操作人员或物体在接触设备时产生的放电及人或物体相对对邻近物体之放电,检测被测试设备抵抗静电放电的抗干扰能力。此标准适用于非特殊之电子电气设备。制定产品有关EMC电磁兼容性测试标准应该根据产品的特性和工作场合来选择合适的测试标准和等级。

ESD静电放电测试方式

ESD静电放电抗扰度测试标准IEC 61000-4-2有两种测试方式:

1)接触放电(Contact Discharge):通过导体直接耦合方式,也就是利用放电电击直接对被测试或设备实施放电;2)空气放电(Air Discharge):透过空间辐射耦合方式,也就是对被测物体或测试设备邻近之耦合板实施放电。

在ESD静电放电测试中,接触放电是首选。在相同的放电电压情况下,接触放电的严格度远大于空气放电。除非在不得已的情况下,比如键盘金属导电部分藏在绝缘层覆盖下或设备螺丝钉金属部分有时可见有时不见,此时不得不用空气放电方法来测试。

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时,正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成。就人体而言,衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。静电源跟其它物体接触时,存在着电荷流动以抵消电压,这个高速电量的传送,将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场,这就是静电放电。在电子产品的生产和使用过程中,操作者是最活跃的静电源,可能积累一定数量的电荷,当人体接触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。静电放电一般用ESD表示。

从ESD测试配置描述如下图可以看出:

在进行 ESD 测试时,需要将静电枪的接地线接至参考接地板 (参考接地板接安全地),EUT 放置于参考接地板之上 (通过台面或0.1 m 高的支架),静电放电枪头指向 EUT 中各种可能会被手触摸到的部位或水平耦合板和垂直合板这就决定了 ESD测试是一种以共模为主的抗扰度测试,因为 ESD 电流最终总要流向参考接地板。

ESD 干扰原理可以从两方面来考虑。首先,当静电放电现象发生在 EUT 中被测部位时伴随着 ESD 放电电流也将产生,分析这些 ESD 放电电流的路径和电流大小具有极其重要的意义。

值得注意的是,ESD 接触放电电流波形的上升沿时间会在 1 ns 以下,这意味着 ESD是一种高频现象。ESD 放电电流路径与大小不但由 EUT 的内部实际连接关系 (这部分连接主要在电路原理图中体现)决定,而且还会受这种分布参数的影响。

图 1.35 表达了某一产品进行 ESD测试时的ESD放电电流分布路径。

图1.35 中的 CP1、CP2、CP3分别是放电点与内部电路之间的寄生电容、电缆与参考接地板之间的寄生电容和 EUT 壳体与参考接地板之间的寄生电容。这些电容的大小都会影响各条路径上的 ESD 电流大小。设想一下,如果有一条ESD电流路径包含了品的内部工作电路,那么该产品在进行 ESD 测试时受 ESD的影响就会很大:反之则产品更容易通过 ESD测试。

可见,如果产品的设计能避免 ESD 共模电流流过产品内部电路,那么这个产品的抗 ESD 干扰的设计是成功的,ESD 抗扰度测试实质上包含了一个瞬态共模电流 (ESD 电流) 流过产品 。

其次,ESD 测试时所产生的 ESD 电流还伴随瞬态磁场,当这种时变的磁环经过电路中的任何一个环路时,该环路中都会产生感应电动势,从而影响环路中的正常工作电路。

例如,某电路的环路面积S=2 cm平方,该环路离 ESD测试电流距离 D=50 cm,ESD测试时的最大瞬态电流峰值I=30A,那么距离 ESD 瞬态电流50cm处的磁场可以根据 (1.14)而算得:

面积为S的环路中感应处的瞬态电压为U可以根据式 (1.15)

而算得:

式中t=1ns,为 ESD 电流的上升沿时间,u0为空气中的磁导率。从计算结果看,2.5 V 与电路中的正常工作电压相比,这是一个危险的干扰电压。

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