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静电放电（ESD）抗扰度检测

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发布时间：2025-06-18 01:49:29 更新时间：2025-06-17 01:49:29

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

静电放电（ESD）抗扰度检测

在现代电子电气设备无处不在的今天，静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）已成为影响产品可靠性与稳定性的关键威胁之一。ESD是在具有不同静电电位的物体之间，由于直接接触或静电场感应而发生的电荷快速转移现象。这种瞬间的高电压、大电流脉冲，虽然持续时间极短（通常纳秒级），但其产生的强大电磁场和注入的能量足以导致敏感的电子元器件损坏（硬损伤）或引发设备功能暂时紊乱、复位、数据错误等（软故障或瞬态干扰）。随着电子产品集成度不断提高、工作电压持续降低，其对ESD的敏感性也日益增强。因此，对电子电气设备进行系统的静电放电抗扰度检测，评估其在预期使用环境中抵抗ESD干扰的能力，是产品设计、质量控制和符合市场准入要求（如CE、FCC等）不可或缺的关键环节。该检测旨在模拟产品在其生命周期中可能遭遇的各种ESD事件（如人体接触、操作设备等），验证其在实际应用中的鲁棒性（Robustness）。

检测项目

ESD抗扰度检测的核心项目主要依据相关国际和国家标准设定，通常包括以下几类：

1. 接触放电测试（Contact Discharge）：这是最主要的测试方式。测试电极直接接触被试设备（EUT）上可触及的金属部分（如外壳、连接器壳体、开关、按钮等），并通过放电回路施加规定波形的ESD脉冲。这是模拟人体手持金属物品（如钥匙、工具）接触设备时的情形。

2. 空气放电测试（Air Discharge）：对于非导电可触及表面（如塑料外壳、显示屏），无法进行接触放电时，采用空气放电。测试电极充电后快速接近（但不接触）EUT表面，在达到击穿距离时发生火花放电。这是模拟人体或带电物体靠近设备时发生的放电现象。

3. 间接放电测试（Indirect Discharge）：模拟ESD事件对邻近设备的耦合影响或对参考接地平面/水平耦合板（HCP）放电时，通过空间辐射或传导耦合对EUT产生的影响。通常使用垂直耦合板（VCP）和水平耦合板（HCP）进行。

4. 不同严酷等级测试：根据产品预期使用环境（如受控的实验室环境、普通办公室、工业环境、严酷工业环境等），选择不同的测试电压等级（例如：2kV, 4kV, 6kV, 8kV, 15kV 等）进行测试。

5. 不同极性测试：对每个选定的测试点和电压等级，通常需要分别施加正极性和负极性ESD脉冲。

6. 不同工作状态测试：在EUT的不同操作模式和工作状态下（如待机、运行、数据传输、充电等）进行测试，确保其在各种情形下均满足抗扰度要求。

检测仪器

进行ESD抗扰度检测的核心仪器是静电放电发生器（ESD Simulator/Gun），其主要组成部分和功能如下：

1. 高压电源（High Voltage Supply）：产生高达 ±30kV 的可调节直流高压，用于对储能电容充电。

2. 储能电容（Storage Capacitor, Cs）：模拟人体电容（通常为150pF）。该电容被充至设定的高压。

3. 放电电阻（Discharge Resistor, Rd）：与储能电容串联，模拟人体电阻（通常为330Ω）。它和Cs共同决定了ESD脉冲的电流波形。

4. 放电开关：控制储能电容放电的时机（单次放电或重复放电）。

5. 放电电极（Discharge Tip）：包括用于接触放电的尖锐金属头（通常为锥形）和用于空气放电的圆头（通常为球形）。

6. 接地线：将ESD发生器本体连接到参考接地平面。

除了ESD发生器外，完整的ESD测试系统还包括：

* 参考接地平面（GRP）：大面积金属板，通常为铜或铝，构成测试的参考电位基准。

* 水平耦合板（HCP）：放置在GRP上绝缘垫（通常为0.5mm厚塑料）上的金属板，用于间接放电测试。

* 垂直耦合板（VCP）：垂直放置于EUT附近的金属板（同样与GRP绝缘），用于间接放电测试。

* 绝缘支撑物：用于支撑EUT和HCP，使其与GRP保持规定距离（通常0.1m）。

* 电流靶和示波器：用于校准ESD发生器，验证其输出电流波形是否符合标准要求（如IEC 61000-4-2定义的上升时间、峰值电流等）。

* EMI测试室或屏蔽室（可选）：在环境电磁噪声较大时使用，确保测试结果准确。

* 受试设备（EUT）及其辅助设备（AE）：需配置为典型工作状态。

检测方法

ESD抗扰度检测需严格按照标准规定的程序进行，主要步骤包括：

1. 测试环境搭建： * 在实验室内铺设参考接地平面（GRP）。 * 将水平耦合板（HCP）通过绝缘垫放置在GRP上。 * 用绝缘支撑物将EUT和电缆（按标准要求布置）放置在HCP上（桌面设备）或GRP上（落地设备）。 * 将ESD发生器的接地线良好连接到GRP。 * 连接EUT的电源线、信号线，并配置好AE（辅助设备）。 * 设置EUT进入预定工作模式。

2. ESD发生器校准：测试前，必须使用标准电流靶和示波器对ESD发生器的输出电流波形进行校准，确保其上升时间、峰值电流等参数符合标准（如IEC 61000-4-2）要求。

3. 测试点选择：根据标准规定和EUT的具体情况（用户手册、风险评估），确定需要施加ESD的可触及点（金属部分 - 接触放电；非金属部分 - 空气放电）以及间接放电点（HCP, VCP）。

4. 测试实施： * 接触放电：将放电电极持续、牢固地接触EUT选定的金属点。选择所需的测试等级（电压）。按下发生器放电开关，单次或连续（间隔至少1秒）施加规定次数（通常每个点每个极性至少10次）的ESD脉冲。放电电极需垂直于测试点表面。 * 空气放电：将放电电极（圆头）缓慢（约1-2cm/s）接近选定的非金属点，直到发生放电。放电发生后，移开电极，然后再次接近以进行下一次放电。同样施加规定的电压等级、次数和极性。注意观察并记录实际放电点（可能与预定点有偏差）。 * 间接放电：将ESD发生器对HCP（距离EUT边界0.1m）或VCP（距EUT前方面0.1m）进行接触放电。

5. 性能判据评估：在整个测试过程中和测试后，密切监视EUT的功能和性能表现。根据产品标准或通用标准（如IEC 61000-6-1/2等）中定义的性能判据（Performance Criteria）来评定测试结果： * 判据A：测试过程中和测试后，EUT在规范限值内性能正常。 * 判据B：测试过程中功能或性能暂时降低或丧失，但在测试后能自行恢复，无需操作者干预。 * 判据C：功能或性能降低或丧失，需要操作者干预（如重启）才能恢复。 * 判据D：因硬件或软件损坏，或数据丢失而造成的不可恢复的功能丧失或性能降低。

6. 记录与报告：详细记录测试配置（包括照片）、ESD发生器设置（电压、极性、放电模式）、所有施加ESD的点、每次放电后的EUT反应、最终的性能判据结果以及任何异常现象。