讨论几个ESD测试问题

wqixiang

  问题一:ESD标准中有规定,以接触放电为优先选择,并且规定打过接触放电的地方则不需要再做空气放电.
各位大大,为什么要这样的规定呢?
有人说是因为接触放电比同等级的空气放电要严厉,以通常的IT产品而言,接触放电是4KV,空气是8KV;4KV的接触真的会比8KV的空气严厉吗?在我的多次实践中,答案是否定的,很多时候4KV接触放电安然无恙,但8KV空气放电则会出问题.
我在想,是不是因为接触放电比较稳定可靠,而空气放电不是很稳定且一致性差,故以接触放电为准;因此能用接触放电的地方则选接触放电,而不再测空气放电呢?请各位大大指正!

问题二:对同样一个产品,为什么接触放电的电压和空气放电的电压等级不同(空气的要高)?比如对那些金属外壳用4KV接触放电就可以了(以通常的IT产品而言),而对一些塑料件及缝隙,则要用8KV的空气放电.为什么会有4KV和8KV的差异?人体接触EUT,对EUT进行静电放电,并不会因为是金属部件就放低点(4KV),是非金属就多放点(8KV)吧?我想如果人体带8KV的静电,他(她)接触EUT的非金属部件放电是8KV,而他(她)接触金属部件也应该同样是8KV才对,为什么标准要求是4KV呢?

问题三:跟认证有关,我们产品带有USB接口,我用4KV接触放电打USB的金属外壳,可以PASS;而在USB接口附近的塑料机壳上有一个小孔,当我对这个孔打8KV的空气放电时,EUT failed;但后来我们发现,静电并不是从这个孔里打进去的,而是电弧跳到了旁边的USB外壳上造成的.请问,这样的话,算不算ESD通过?

norman2799

静电放电试验标准变迁及差异性分析
郑军奇

关键词： EMC、ESD 、法拉第笼、衰减器
摘    要：本文主要阐述了静电放电电流波校验的必要性，详细分析了静电放电电流波校验的原理，方法，并对相关标准的差异性进行分析，同时也指出了校验的实施方法。
缩略语清单：
   EMC：(Electromagnetic compatibility)电磁兼容性
    ESD： (Electrostatic discharge) 静电放电
   IEC：国际电工委员会
I.    概述
A.    静电放电发生器的来源  
         带静电的人体对的物体进行放电时会产生放电电流。这个放电电流会产生短暂的强度很大的电磁场,放电时产生短暂的放电电流和相应的电磁场可能引 起电气.电子设备的电路发生故障,甚至损坏。为了考核设备抗静电放电干扰的能力，就要有一静电放电的源，这时就产生了人体静电放电的干扰模拟器。.
B.     静电放电发生器原理
   
    试验发生器的主要部分包括:
            1.充电电阻Rc
              2.储能电容器Cs
              3.分部电容Cd
              4.电压指示器
              5.放电开关
              6. 可更换的放电电极头（空气放电,接触放电分别采 用不同的放电电极）
              7.放电回路电缆,放电回路电缆的一般长度为2m。其构成应使发生器满足波形的要求。它应有足够的绝缘以防止静电放电 试验时放电电流不通过其端口而流向人员或导电表面。
             8  电源装置,图1中省略的C d 是存在于发生器与受试设备，接地参考平面以及耦合板之间的分布电容，由于此电容分布在整个发生器上，因此，在这个回 路中不可能标明。
   
   
        2  校验的必要性    
         静电放电电压高压几万伏，放电时，在很短的时间内会产生几十A的电流，而放电电流脉冲的上升在1ns或几个ns之内完成，也就是这瞬时产生的脉冲电流和脉冲的快速上升沿， 造成对电子线路的干扰，引起设备的误动作或器件损害。   我们对设备做静电放电试验是为了验证设备抗静电放电干扰的能力，并找出抗静电放电干扰的薄弱环节增加措施以提高设备抗静电放电干扰的能力。当年IEC标准中把静电放 电的主要放电方法从气隙放电改到接触放电 主要是考虑到从接触放电与气隙放电相比之下更能保持放电电流波形的一致性（具体说明见后），而气隙放电由于放电的电流波形与放 电头的接近速度，温度，湿度等因素都有关系而在静电放电试验中处于次要地位。 因此 采用符合标准的静电   放电发生器对试验结果的一致性和重复性是至关重要的。
   实践证明，静电放电发生器的校验比其它EMC设备的校验显得更加必要。
   在国内来讲，静电放电波形校验装置甚少，国内权威的中国计量院也无此设备，而在中国最大的城市上海也只有一家公司有此设备。在上海范围内的静电放电枪的校验自然只能到该公司，值得注意的是，不管何种品牌相当一部分不合格，不是波形峰值太低，就是波形上升沿超标。用这些超标的设备来测试会发生什么样的结果呢？以下有一组数据供参考。
     若有一不合格的静电放电发生器，在8kV放电电流波形的上升沿是3ns，根据脉冲波最高谐波频率计算工式：
   f=1/∏Tr
                                                                                       （  Tr为脉冲上升时间）
   可知此时的最高脉冲谐波频率是正常时（正常时上升时间：0.7~1ns）的1/3，并且根据前人大量试验证明上升时间是3ns时的接触放电的严酷度相当于同一等级的气隙放电。也就是说这种情况下8kV放电，相当与正常情况下的6kV放电。
   若电流波的峰值不符合，那它引起的试验的差异就更加明显了。
   
   3  校验实施方法
      3.1校验原理
       为了比较不同发生器及同一发生器不同时间所获得的试验结果，必须检                     验试验所用放电回路所产生的放电电流的波形是否一至并符合标准IEC61000-4-2，GB17626-2） 静电放电发生在验证过程中的输出电流波应与图2相符，参数应与表1相符。
              

表1   波形参数
等级    指示电压kV    放电的第一峰值电流（+/-10%）A    上升时间trns    在30ns时的 电流(+/-30%）A    在60ns时的电流（+/-30%）A
1234    2468    7.51522.530    0.7~10.7~10.7~10.7~1    481216    2468
                                                                      
    电流的特征参数最好使用1GHz以上带宽的测量仪器进行验证，较窄的带
宽意味着上升时间和第一电流峰值测量受到限制。根据标准，做验证时，放电  
电极头应与电流传感器直接接触，而且发生器以接触放电的方式来工作。
具体操作方法如下：
           1.按图4所示配置好装置,其中放电枪靶和50ohm 30dB的同轴衰减器组成电流传感器,法拉第笼子起到屏蔽作用,用来隔离静电放电时产生的电磁场影响测量结果。流传感器电路图如图 3所示(50ohm同轴衰减器可以看成输入阻抗和输出阻抗均为50ohm  的双端网络)。静电放电电流为 I,则A点的电压 V a=2*I ,B点的电压 Vb=1/2Va=I,C 点的电压是经30dB衰减后的电压即用示波器所测到的电压，  C点的电压V c和B点的电压 Vb有如下关系：
   
20logVb/Vc=30 dB

  因此示波器所測电压Vc 与静电放电电流 I 有如下关系：
    
I=Vc*10 3/2

  只要测得C点的电压  Vc就可以推算出此时的放电电流。    



           2.  打开示波器工作电源.
3.    打开静电放电发生器的工作电源，将放电的电压调整至2kV，放电枪对准靶面中心以每秒1次的间隔进行放电。
4.    将示波器量程置于50mV/10 ns,调节触发电平于适当的位置，当示波器屏幕上出现波形时，分别测出表1中所要求的数据 。     
           5.  改变静电放电发生器的电压至4kV，6kV，8kV用同样的方法分别测出表1中所要求的数据 。                             
           6.  根据表1进行校对，判断所测是否在范围内。     


3.2  标准的变化
               以下表2是1984年版IEC801-2标准和1991年版IEC-801标准及1995年版IEC61000-4-2标准的对比,可作参考。
   1984年版IEC801-2标准    1991年版IEC-801-2标准及1995年版IEC61000-4-2标准
储能电容             150pF +/-10%           150pF +/-10%
放电电阻Rd    150    330
输出电压范围             2—16.5kV    接触放电8kV，气隙放电15kV
输出电压极性             +                   +，  -
放电方式             气隙放电    接触放电和气隙放电，但接触放电为首选方式，凡是可以用接触放电的地方，一率用接触放电
放电电极    放电电极的前端为半球形    接触放电的前端为尖锥形，气隙放电电极的前端为半球形
放电电阻（电流传感器）            2 或小于2 的负载    2
校验方法    放电电极接近负载，直至放电发生    放电电极直接接触电流传感器
校验仪器             带宽400M的示波器    采用法拉第笼子，放电电阻作为放电电极的靶面，位于笼子正面的中央，测量示波器放在笼内，操作人员在笼内观察示波器，示波器带宽至少1000MHz
校验电压与放电电流波形    波形校验电压为4kV，测得放电电流上升时间为5ns+/-30%,持续时间为30ns+/-%。另外对放电电流峰值校验四点，2kV时为9A，4kV时为18A，8kV时为37A，15kV时为70A      波形校验电压为2kV，4kV，6kV，8kV，共4档电压。每档考核4个参数，即电流脉冲上升时间（不管电压高低均为0.7~1ns）第1放电电流峰值为3.75A*电压值（以kV为单位）；30ns处的电流值为2A*电压值；60ns处的电流值为1A*电压值。
典型的放电电流波形        类似于浪涌波           图2所示
3.3  标准的差异性分析
   关于I EC801-2（84版）和1991年版IEC-801标准及1995年版IEC61000-4-2标 准不 同点的解释主要有以下几点。
            1： 两版本标准区别主要是接触放电与气隙放电之间的区别，从何说起？就要 从强调试验结果的重复性和可比性说起，IEC801-2（84版）要求同一台测试仪器在不同的时间对同一试品的试验有相同的结果（在保持试验和试验条件相同的前提下）； 1991年版IEC-801标准及1995年版IEC61000-4-2标
准要求不同品牌的测试仪器（基本性能相同）对同一试品的试验，结果大体相同。这也是静电放电发生器品牌逐渐增多引起的。再仔细考核 接触放电与气隙放电的效果，两者有如下区别：接触放电(电路如图5），放电通过放电开关将储能电容（模拟人体电容）的电向被试设备放，这种情况下在放电开关闭合以前，即使放电头与被试设备接触，放电头上也无电压，因而形不成静电放电。而气隙放电时相当于放电开关一直处于闭合状态，放电头上有电压存在，只要放电头接近被备，放电头与被试设备及周围环境满足放电条件就会引起放电现象。这种情况更接近与现实中带电的人体通过手指或手拿的钥匙向物体放电。


因此从某种角度来讲，静电放电中的气隙放电的模型是真正模拟带电人体对物体放电，因为带高压的气隙放电枪头接近物体放电 就象带电人体接近物体时的放电，这也是一开始选择了气隙放电原因之一，  而接触放电 是同过高压继电器产生。
      气隙放电与接触放电相比，虽然气隙放电更与现实人体的静电放电相近，但是气隙放电有很多不确定因素。这些不确定因素如接近速度，温度，湿度等均会影响静电放电的效果，而作为一种实验手段，气隙放电的不确定因素的存在使试验的可比性和重复性很差，这将給试验结果分析带来困难，相比之下接触放电显示出了它的优越性，它与气隙放电相比更能保证试验的可比性和重复性，由于接触放电是将放电头与被试设备相接触的状态下实施放电的因此不存在受如接近速度，温度，湿度，空气电离程度等影响。而且通过大量的试验证明，同一等级的接触放电与气隙放电严酷度是一致的。

2：体现了人对事物的一个认识过程，因为当时只想找到一种能实际模拟人体静电放电的方法，而对试验的一致性考虑的不是很多，当用这种方法经过大量应用后在发现它有很多局限性，于是就去寻找更好的方法，直到出现接触放电。

3： 参数的不同主要受校验设备的影响，因为当时还找不到能测量上升时间小于1ns的设备，上升沿要求的提高自然而然要用法拉第笼来进行测量。随着计量设备的不断发展，目前对标准波形的的计量，国际上在考虑用3.5GHz带宽的计量设备来取代现行的1GHz带宽的设备的可行性以考核发生器波形的干净度

4：器件的局限性，要找到一能满足要求的静电放电开关并非易事，就目前国内来讲还不能提供这样性能的开关。另外正负极性切换也需要要求相当高的器件。
    
5：保留气隙放电是为了保持标准的延续性，另外是为了一些有特殊要求设备的试验要求。
6：用实验的方法测得人体的等效电容在150pF左右，等效电阻为300~500欧，那么为何用 150欧放电电阻呢？是为了在气隙放电的情况下保持放电电流的上升沿。而有了接触放电之后，自然150欧被330欧替换。 电阻的变化引起波形的变化。  

4.EMC实施方法
4.1校验环境
   环境温度：15 ～35℃     
   相对湿度：10～75％
   大气压力：86～106kPa
4.2参考标准
      IEC61000-4-2（1992）静电放电抗扰性试验,基础EMC出版物
                (Electrostatic discharge test .Basic EMC publication.)
        4.3 校验仪器及设备
   
   
仪器名称    规格
静电放电测试仪    /
法拉第笼    定制
同轴衰减器    50欧姆，30dB或40dB  30W
电流传感器（放电枪靶）     定制
同轴电缆    50欧
示波器    1GHz带宽，也可用500MHz 带宽可存储示波器代替

chenchen

1. 接触放电的电流脉冲波上升时间要比空气放电快,因此,其波形中的谐波成分要更为丰富,因此对设备考核更严格也更准确。国外有人著文，认为在同样的严酷等级下，在同一电压下，接触放电要比空气放电的严酷程度要严酷25％。

2. 试验等级的选定是通过对不同设备和系统所进行的大量试验，并对比了测量结果，认为才用接触放电方法得到的8KV放电与用15KV的气隙放电具有同样的干扰水平。

wqixiang

[quote]引用第2楼chenchen于2007-10-11 16:44发表的“”:
1. 接触放电的电流脉冲波上升时间要比空气放电快,因此,其波形中的谐波成分要更为丰富,因此对设备考核更严格也更准确。国外有人著文，认为在同样的严酷等级下，在同一电压下，接触放电要比空气放电的严酷程度要严酷25％--------你说的是同一电压下接触放电比空气放电严厉,但在ESD标准中,接触放电和空气放电不是同一电压哦,实际是8KV Pk 15kV 或者4KV PK 8KV啊.就我实践而言,8KV的空气放电通常比4KV接触放电要严厉

wqixiang

引用第1楼norman2799于2007-10-11 15:43发表的“”:
静电放电试验标准变迁及差异性分析
郑军奇

关键词： EMC、ESD 、法拉第笼、衰减器
摘    要：本文主要阐述了静电放电电流波校验的必要性，详细分析了静电放电电流波校验的原理，方法，并对相关标准的差异性进行分析，同时也指出了校验的实施方法。
.......

谢谢兄台的文章,证实了我的想法:是因为接触放电比空气放电更稳定,一致性更好,所以优选接触放电,并且做了接触则不需要再做空气;而不是因为接触放电比空气放电更严厉(针对同一产品要求,比如IT产品中的contact 4KV and air 8KV).
如果这样的话,我第三个问题中的样品是不是可以算是通过呢?请各位大大指正.

chenchen

回复三楼:
1. IEC61000-4-2规定的实验等级并不是针对一款产品来定的.
2. 我不怀疑您的实践经验,只是本人认为,至于选用接触放电还是空气放电的模式,主要是有产品本身来定,这个标准也说的很清楚. 所以您说的用8KV的空气放电通常要比4KV的接触放电要严厉,我无法苟同!
3. 8KV接触放电和15KV空气放电是不是同样的干扰水平,标准中都没有明确提到. 我也只是在老钱一本书上看到的.
4. 个人认为,一个人带15KV的静电, 不管是空气放电还是接触放电,他的释放电压应该是一样的.

norman2799

应该不能算通过，因为你的产品不全是金属外壳的，
还有空气放电所造成辐射的干扰的量化，也是目前IEC正在讨论的问题，包括静电枪，不同厂家的静电枪对ESD放电电流产生的辐射是否一样，还没有确定，这也是ESD标准的发展方向

chenchen

还有两点需要说明一下:
1. 目前静电放电发生器的校验波形之所以以接触方式为基准,主要的原因就是因为空气放电的再现性受到放电头接近速度,湿度和试验设备结构的影响,并导致脉冲上升时间,放电电流幅度是差异.(GB/T17626.2-1998 中第14页有详细的说明)
2. 就相同的电压下,接触放电的电流脉冲波上升时间要比空气放电快,因此,其波形中的谐波成分要更为丰富,这个我们的钱工,也曾多次强调过.

jiangweiamo

今天这个贴是个好贴！
好久没这么讨论了。
俺也说两句。
1，有接触放电 ，空气放电之说，这些都是订标准的人根据现实中的情况统计研究得出来的。这一点大家不需要较真。
2，针对金属表面，任何一种带电荷的物体靠近时，只会改变金属表面电荷的分布，当足够近的时候，带电体与金属表面之间的压差足以击穿空气时，就会产生火花。如果速度够快的话，在还没击穿的时候就已经接触，这时候带电体的电荷会通金属表面转移。在这一系列过程中，就包含了ESD的三个做法，耦合板放电，空气放电，接触放电。为什么会优先直接放电？在同一带电体靠近时（隐含的意思就是同一电压U），空气放电，直接接触放电两种情况产生的电流会是什么样的呢？
I空=U/(R空气+R金属）
I直=U/R金属
从式中就可以看出，这两种情况下他的电流是不一样的，同样的道理，这两种电流谁的破坏性大？
结论不用多说，写标准的人自然会优选直接放电。
3，如果是非金属表面，带电体靠近时候，直接放电的方式根本无法电荷转移到里面的带电体，而空气放电可以通过电离空气的方式实现转移，为了考量这一特性，怎么办，写标准的人自然会统计 研究，为了能与直接放电处在同一level上，（也可以理解为产生同样的电流），怎么办，必须加大U。

说了这么多 ，就是想说，写标准的人，在写的时候都是深思研究过的，不是乱写的。做的每一个定义都会他特殊的意义。
纠正一下上面有争议的观点：
1，既然处于同一level  当然他们的严格程度是相当的，谁谁历害，没有可比性，如果有可比性，写标准的人完全可以就用严格的那种代替了。而不用费话这么多 ，还两种方式了。

2，优先选择是根据现实的情况来优化的，写标准的人才会定下来，要这么这么做。

记住  标准是为了模拟现实的情况来做的测试情况。

请大家多看看标准开头的几句话。

上面是我个人的理解，大家多拍砖！

wqixiang

越来越有意思了,大家的观点分歧比较多,说明ESD标准对于测试的细节规定的还不够明确,有许多比较模糊的地方.这也难怪,61000-4-2这种标准是基础标准,针对的是基本的ESD现象和原理;世界上的产品千万种,大的设备上吨,小的产品只有十多克,它们的ESD特性差别极大.所以61000-4-2作为基础标准不可能把测试的细节规定的很完备,如果非要很详细的规定的话,可能反而会造成对这种产品适用,对那种产品却不适用的画蛇添足的情况.这就需要产品(类)标准在ESD测试上,针对测试细节做详细的规定.但遗憾的是,制定产品(类)标准的人通常好象有点偷懒,他们一般只给出测试的电压等级,至于测试的方法等通常是直接引用-4-2.