淺談靜電發(fā)生器

廖明燈

（博羅縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 博羅 516100）

靜電發(fā)生器是一種模擬靜電放電過程和進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)的平臺(tái)。靜電放電抗擾度試驗(yàn)，是模擬物體或工作人員在接觸測(cè)試設(shè)備時(shí)的放電以及物體或人對(duì)臨近物體的放電，以評(píng)估測(cè)試設(shè)備遭受靜電放電時(shí)的性能。一般而言，大部分的電子設(shè)備都需要經(jīng)過靜電放電抗擾度試驗(yàn)。靜電放電信號(hào)發(fā)生器是試驗(yàn)的關(guān)鍵，每次在試驗(yàn)前都要對(duì)靜電發(fā)生器進(jìn)行驗(yàn)證，而對(duì)于放電型號(hào)的電壓值和波形需要定期校準(zhǔn)，這樣才能保證做到試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，從而使誤差得到減小。

1 靜電發(fā)生器的功能范圍

靜電放電是一種自然現(xiàn)象，當(dāng)兩種不同介電強(qiáng)度的材料相互摩擦?xí)r，靜電電荷就會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)其中一種材料上的靜電荷積累到一定程度，在與另外一個(gè)物體接觸時(shí)，就會(huì)通過另外一個(gè)物體進(jìn)行放電。電子設(shè)備的主要干擾源之一就是靜電放電及其影響。比如人行走在合成纖維的地毯上時(shí)，通過地毯與鞋子的摩擦，只要行走幾步，人體上積累的電荷就可以達(dá)到 10～6 C以上。不同的人體所產(chǎn)生的靜電放電，會(huì)有許多不同的電流脈沖，電流波形的上升時(shí)間在100 ps～30 ns之間。人體由于靜電的存在，使其成為對(duì)電子設(shè)備或爆炸性材料的最大危害。靜電放電及電磁場(chǎng)變化，可能危害電子設(shè)備的正常工作。靜電放電多發(fā)生在人體接觸半導(dǎo)體器件時(shí)，產(chǎn)生不可挽回的損壞，甚至可能導(dǎo)致數(shù)層半導(dǎo)體材料的擊穿。

2 靜電放電試驗(yàn)?zāi)M

在低溫的環(huán)境下，通過摩擦可以使人體帶電。人體帶電后，在接觸設(shè)備的過程中，就可能對(duì)設(shè)備放電。靜電放電抗擾度試驗(yàn)對(duì)兩種情況進(jìn)行了模擬：工作人員直接觸摸設(shè)備時(shí)對(duì)設(shè)備的放電及對(duì)設(shè)備運(yùn)作的影響；工作人員在觸摸鄰近的設(shè)備時(shí)對(duì)設(shè)備的影響。其中第一種情況稱為直接放電，后一種情況稱為間接放電，第二種通過對(duì)鄰近物體的放電，間接構(gòu)成對(duì)設(shè)備工作的影響。

靜電放電的機(jī)理。電子設(shè)備因靜電而損壞的情況并不多見，而由于靜電放電造成對(duì)設(shè)備的干擾則很常見，它會(huì)使設(shè)備復(fù)位、鎖死、數(shù)據(jù)丟失和工作不可靠，這種情況在寒冷干燥的冬季更加多見。在所有產(chǎn)品中，特別是便攜式的電子產(chǎn)品，更容易受到人體接觸而產(chǎn)生放電，引起設(shè)備損壞。要防止靜電放電產(chǎn)生，必須知道靜電放電引起的干擾是如何進(jìn)入電子設(shè)備的。首先，一個(gè)充了電的導(dǎo)體在接近另一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)導(dǎo)體之間存在非常強(qiáng)的電場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電，形成放電電弧，在0.7～1 ns的時(shí)間內(nèi)，電弧電流甚至可以達(dá)到幾十安培。

靜電放電可能造成一定的后果。通過直接放電，引起設(shè)備中半導(dǎo)體器件的損壞，從而造成設(shè)備的永久性失效；由放電而引起的電磁場(chǎng)變化，造成設(shè)備的損壞。

3 靜電發(fā)生器的測(cè)試方法

靜電放電發(fā)生器（ESD Generator），是電磁兼容測(cè)量與試驗(yàn)中靜電放電抗擾度試驗(yàn)中的重要設(shè)備。目的是為了檢驗(yàn)電子設(shè)備受到外來靜電放電時(shí)正常工作與否。靜電放電發(fā)生器主要由日本和歐洲、美國以及我國少數(shù)廠家生產(chǎn)，國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靜電放電發(fā)生器的波形和設(shè)備器件性能有非常特殊的要求。

3.1 測(cè)試方法

接地參考平面厚度不小于0.25 mm的鋁板、銅板或厚度不小于0.65 mm的其他金屬板材等材料。并且安全接地，接地參考平面每邊至少伸出受試設(shè)備（EUT）0.5 m。最小尺寸為1 m×1 m。受試設(shè)備（EUT）與實(shí)驗(yàn)室墻壁和其他金屬物體間的距離至少為1 m。落地式設(shè)備與接地參考平面間的絕緣支座的厚度為0.1 m。臺(tái)式設(shè)備放在接地參考平面上0.8 m高的木桌上。在桌面上放置面積1.6 m×0.8 m的水平耦合板，并用一個(gè)厚0.5 mm的絕緣襯墊將受試設(shè)備、電纜與耦合板隔離。如果受試設(shè)備過大而不能保持與水平耦合板各邊的最小距離為 0.1 mm，則使用另一塊相同的水平耦合板放置在距第一塊短邊0.3 m處。兩塊水平耦合板用帶有兩個(gè)470 kΩ電阻的電纜連接到接地參考平面。垂直耦合板尺寸為0.5 m×0.5 m，平行受試設(shè)備放置并保持0.1 m的距離。

3.2 測(cè)試步驟

確定施加放電的測(cè)試點(diǎn)，工作人員可能觸及機(jī)殼上的金屬點(diǎn)；控制臺(tái)或鍵盤上的任何點(diǎn)；人機(jī)通訊點(diǎn)，如按鍵、開關(guān)、按鈕等；其他工作人員易接近的區(qū)域、發(fā)光二極管、指示器、柵格、縫隙等；日常使用中需更換電池的IC卡和電池夾的插縫等。根據(jù)產(chǎn)品類型及不同使用環(huán)境等因素選擇。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同產(chǎn)品有相應(yīng)的規(guī)定。為了確定產(chǎn)品的故障臨界值，試驗(yàn)電壓應(yīng)從最小值開始調(diào)整。然后逐漸增加試驗(yàn)電壓，直至達(dá)到規(guī)定要求的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 測(cè)試評(píng)估

試驗(yàn)方式應(yīng)以單次放電的方式進(jìn)行。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)至少施加10次單次放電，并且要以最敏感的極性方式施加。兩次單獨(dú)放電時(shí)間間隔至少要1 s，如果系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間較長，可以延長時(shí)間的間隔。試驗(yàn)點(diǎn)和敏感極性的確定，通過20次/s或以上的放電速率進(jìn)行預(yù)測(cè)后確定。

靜電發(fā)生器應(yīng)當(dāng)保持與實(shí)施放電的表面垂直。放電時(shí)放電回路電纜與受試設(shè)備將距離至少保持0.2 m，以免回路電纜產(chǎn)生的電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)影響試驗(yàn)結(jié)果?？諝夥烹姾徒佑|放電應(yīng)選用相應(yīng)的放電頭。在接觸放電的情況下，放電電極應(yīng)在操作放電開關(guān)前與EUT保持接觸。在空氣放電時(shí)接觸放電開關(guān)應(yīng)當(dāng)先閉合，放電頭應(yīng)盡可能快的接近EUT。每次放電后放電電極應(yīng)從受試設(shè)備移開，重新充電后再進(jìn)行下一次放電試驗(yàn)。在具體使用時(shí)，旁邊可能放置有其他設(shè)備的受試設(shè)備（EUT），還應(yīng)進(jìn)行水平和垂直耦合板的放電試驗(yàn)。

在目前的市場(chǎng)上，靜電放電發(fā)生器也有些達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，或者不符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。而一般用戶由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)上的靜電發(fā)生器不可能在短時(shí)間內(nèi)完全掌握或了解，在此提醒用戶目前市場(chǎng)上不符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)要求的靜電發(fā)生器，其主要問題有：靜電放電重復(fù)頻率達(dá)不到20次/s；接觸放電頭直徑不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，有的非常小。

在這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求中，最重要的是放電電流波形，即靜電放電發(fā)生器的基本參數(shù)能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但多數(shù)國外的靜電放電發(fā)生器放電電流波形中含有很高的振蕩波形成分。

表1

當(dāng)設(shè)備發(fā)生或接觸放電后，附著在設(shè)備機(jī)殼上的電荷，就會(huì)通過設(shè)備殼上的縫隙與設(shè)備內(nèi)部電路板或元器件間發(fā)生二次放電。因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部PCB或元器件的阻抗較小，所以有可能二次放電的危害比一次放電危害更大。接觸放電，帶電物體直接接觸設(shè)備表面后的放電過程。在向設(shè)備表面接近的過程中，在帶電物體電壓足夠高或所攜帶的電荷足夠多時(shí)，電壓會(huì)擊穿空氣而形成放電過程。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用靜電放電發(fā)生器進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)的波形和電壓值等需要定期進(jìn)行檢測(cè)，這樣才能使試驗(yàn)的準(zhǔn)確性得到保證并使誤差降到最小。

［1］田巍，張洛花.靜電放電發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理及研究現(xiàn)狀［J］.科技資訊，2011（32）.

［2］季軍.靜電放電發(fā)生器的開發(fā)研究［D］.浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

［3］張駿馳，王文儉，劉巍.靜電放電發(fā)生器的校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究［J］.數(shù)字通信世界，2011（8）.

［4］閆萬舉.高壓靜電發(fā)生器的原理、結(jié)構(gòu)和選用［J］.涂裝與電鍍，2010（6）.