場感應(yīng)模式靜電放電的防范及檢測

張 賀，楊 輝，徐海燕

(上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201108)

場感應(yīng)模式靜電放電的防范及檢測

張 賀，楊 輝，徐海燕

(上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201108)

場感應(yīng)模式靜電放電是一種常見的靜電放電方式，其具有相當(dāng)?shù)碾[蔽性，可對(duì)電子儀器設(shè)備等造成難以估量的損壞。當(dāng)系統(tǒng)存在雜散電流、騷擾電流、噪聲電壓、接地干擾或傳輸線敷設(shè)不當(dāng)時(shí)，就具備了發(fā)生場感應(yīng)模式靜電放電的基本條件。針對(duì)場感應(yīng)靜電放電產(chǎn)生的基本條件，介紹了靜電泄放法和源頭防范法2類防范方法，并提出了便于事前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是否存在場感應(yīng)靜電放電風(fēng)險(xiǎn)的相應(yīng)檢測方法。

場感應(yīng)；靜電放電；檢測

靜電放電(ESD)是一種常見的自然現(xiàn)象，在靜電放電過程中可產(chǎn)生高電壓和瞬時(shí)大電流，能對(duì)電子產(chǎn)品等造成難以估測的破壞，該現(xiàn)象已引起各國研究者的普遍重視[1]。為便于研究分析，人們根據(jù)靜電放電的特征，將其分為人體模式、機(jī)械模式、帶電器件模式及場感應(yīng)模式(FIM)等模型[2-3]。場感應(yīng)模式是儀器設(shè)備中十分常見的靜電放電方式。當(dāng)對(duì)地絕緣的電氣器件、儀器、導(dǎo)體及人體處于靜電場中時(shí)，極化或靜電感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致這些物體上的電荷分離，并使其電位升高，當(dāng)外電場較強(qiáng)時(shí)，這些物體上的感應(yīng)電位將足夠高，可引發(fā)這些物體與其他物體間的場感應(yīng)模式靜電放電。由于場感應(yīng)的來源廣泛，例如接地導(dǎo)體上存在的雜散電和系統(tǒng)互連設(shè)備之間存在的騷擾電流等，人們一般難以察覺由其引發(fā)的靜電放電，這對(duì)于控制產(chǎn)品質(zhì)量和維護(hù)儀器設(shè)備正常使用十分不利。本文對(duì)場感應(yīng)模式靜電放電的形成及其防范技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，以期給生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 引發(fā)場感應(yīng)模式靜電放電的原因

1.1 引發(fā)場感應(yīng)模式靜電放電的基本條件

當(dāng)具備如下某個(gè)條件時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)即有了場感應(yīng)模式靜電放電的基礎(chǔ)。

1)雜散電流。即系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的接地導(dǎo)體上存在著的流動(dòng)電流。

2)騷擾電流。即通過供電電源線傳輸?shù)皆O(shè)備上的電磁騷擾。系統(tǒng)互連設(shè)備之間存在著騷擾電流。

3)噪聲電壓。噪聲是一種不傳送信息的電磁現(xiàn)象，噪聲電壓是2點(diǎn)間由電磁騷擾引起的電壓，系統(tǒng)內(nèi)互連設(shè)備可觸及導(dǎo)電部分之間存在著噪聲電壓。

4)接地干擾。即用電設(shè)備負(fù)載端中線對(duì)大地的電位差。當(dāng)接地干擾超過限制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，存在著設(shè)備外殼與內(nèi)部電路之間的靜電放電。

5)各傳輸線敷設(shè)不當(dāng)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)電源線、接地線、通信線及功能傳輸線等敷設(shè)不當(dāng)時(shí)，線間存在電磁耦合。

1.2 引發(fā)場感應(yīng)模式靜電放電的源頭

當(dāng)使用交流供配電系統(tǒng)時(shí)，如果三相線電流的不平衡度過大(>15%)，系統(tǒng)內(nèi)將存在著中性導(dǎo)體電流的流動(dòng)，及其對(duì)PE保護(hù)接地導(dǎo)體的電流侵入。

當(dāng)使用直流供配電系統(tǒng)時(shí)，由于供配電系統(tǒng)電源工作接地導(dǎo)體上不可避免地存在大量直流返回電流，該電流將侵入與其互連的直流用電設(shè)備。又由于直流供電設(shè)備需要交流電源的輸入，因而通過供電電源的傳輸則又將帶入交流電源線電流的侵入。

2 場感應(yīng)模式靜電放電的防范措施

防御靜電放電一般有2種方式：1)將產(chǎn)生的靜電安全、迅速地泄放，即泄放靜電方法；2)改變產(chǎn)生靜電的條件，使得靜電生成困難，即源頭防范方法。

2.1 泄放靜電方法

1)電子類儀器設(shè)備按不同頻率，分區(qū)域建立電磁兼容性等電位聯(lián)結(jié)接地平面，提供設(shè)備間低阻抗的聯(lián)結(jié)接地通路，配設(shè)電磁兼容性等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體系統(tǒng)接地配置。電磁兼容性[4]是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，而且不對(duì)該環(huán)境中任何其他設(shè)備或系統(tǒng)構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容性等電位聯(lián)結(jié)接地平面及其系統(tǒng)接地配置是將相同頻率的設(shè)備或系統(tǒng)分區(qū)域聯(lián)結(jié)到對(duì)地電位相等的接地板，并最終匯聚到主干接地板，通過主干接地電纜接大地。

2)電子類通信設(shè)備按不同電壓，分區(qū)域建立PEF等電位聯(lián)結(jié)接地平面，提供設(shè)備間低阻抗的聯(lián)結(jié)接地通路，配設(shè)防御直流返回電流，兼有保護(hù)接地和功能性接地2種功能的PEF等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體系統(tǒng)接地配置。

3)UPS供配電系統(tǒng)控制三相線電流不平衡度≤15%，配置UPS饋出線輸出端三相中線或單相低端重復(fù)接地構(gòu)造。

4)配置輔助保護(hù)聯(lián)結(jié)系統(tǒng)接地導(dǎo)線，從UPS配電柜內(nèi)PE匯流排接出，提供電子顯示屏幕設(shè)備支架、電子類儀器以及通信設(shè)備柜支架接地，防范設(shè)備外殼與內(nèi)部電路之間的靜電放電。

5)敷設(shè)電源線、接地線、通信線、功能傳輸線以及特低壓信號(hào)設(shè)備控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸線時(shí)，必須抑制線間的電磁耦合干擾。

2.2 源頭防范方法

當(dāng)使用交流供配電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采取交流供配電系統(tǒng)的電源工作接地安全技術(shù)防御措施，將侵入交流供配電系統(tǒng)PE保護(hù)接地導(dǎo)體的70%以上電流引入大地。

當(dāng)使用直流供配電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將直流供電設(shè)備支架單獨(dú)隔離起來，隔斷與周邊設(shè)備的接觸聯(lián)系，并對(duì)直流供電設(shè)備絕緣鋪設(shè)電源工作接地主干線，使其單獨(dú)接大地；將直流供電設(shè)備需要的交流電源輸入與其他設(shè)備的交流電源輸入之間進(jìn)行電氣隔離，在交流總配電柜旁配置3重屏蔽隔離變壓器，通過隔離變壓器解決直流供電設(shè)備的交流電源輸入。

3 場感應(yīng)模式靜電放電的檢測

3.1 雜散電流的測量

雜散電流的測量應(yīng)從接地主干線的總接地端開始測1個(gè)數(shù)據(jù)，再在接地主干線的引下端部位測1個(gè)數(shù)據(jù)，然后比較2個(gè)數(shù)據(jù)，前者小于后者，則表明接地主干線上存在的雜散電流沒有完全引入大地；隨后再測接地干線兩端和接地支干線兩端，直到設(shè)備接地線。

測量雜散電流采用數(shù)字鉗形表。鉗形表應(yīng)能提供交、直流電流測量，且讀數(shù)分辨力為0.01 A，電壓測量讀數(shù)分辨力為0.01 V。鉗形表不能測量裸露導(dǎo)線，當(dāng)碰到接地扁鐵和接地銅排時(shí)應(yīng)采用多用表來測量。

3.2 噪聲電壓和騷擾電流的測量

噪聲電壓是互連設(shè)備可觸及導(dǎo)電部分2點(diǎn)間由電磁騷擾引起的電壓。騷擾電流是互連設(shè)備之間通過電源線傳輸?shù)皆O(shè)備上的電磁騷擾。噪聲電壓和騷擾電流的測量都應(yīng)在互連設(shè)備可觸及導(dǎo)電部分2點(diǎn)之間由遠(yuǎn)到近選點(diǎn)測量。

噪聲電壓和騷擾電流采用數(shù)字多用表測量。前者作交、直流電壓測量，后者作交、直流電流測量。所用儀表應(yīng)具有4位有效值，交、直流電壓測量讀數(shù)分辨率為0.1 mV，交、直流電流測量讀數(shù)分辨率應(yīng)為0.1 mA。

3.3 負(fù)載端接地干擾的檢測

接地干擾是負(fù)載端中線對(duì)地線的電位差。負(fù)載端接地干擾應(yīng)在負(fù)載端電氣插座處測量，可選擇用電量大的負(fù)載，測點(diǎn)選擇約一半的電氣插座。

接地干擾采用數(shù)字多用表測量，應(yīng)用交流電流檔。

3.4 各種線路敷設(shè)情況調(diào)查

對(duì)于電源線、接地線、通信線及功能傳輸線，應(yīng)查看各種線路是否存在同線槽敷設(shè)情況，例如交、直流電源線是否同線槽敷設(shè)，不同頻率的交流電源線是否同線槽敷設(shè)等。

3.5 交流供配電系統(tǒng)電氣性能的檢測

交流供配電系統(tǒng)電氣性能應(yīng)選擇在總配電柜和UPS進(jìn)線柜內(nèi)測量，包括：1)測量三相線電流值，計(jì)算三相線電流不平衡度；2)測量中線流動(dòng)的中性導(dǎo)體電流；3)測量PE保護(hù)導(dǎo)體侵入電流。

該檢測采用數(shù)字鉗形表。后2項(xiàng)測量內(nèi)容如在匯流排上測量，應(yīng)采用數(shù)字多用表。

3.6 直流供配電系統(tǒng)電氣性能的檢測

應(yīng)預(yù)先對(duì)直流供電設(shè)備和直流用電設(shè)備配置情況進(jìn)行調(diào)查，如果存在直流供電設(shè)備電源工作接地導(dǎo)線，可測量接地干線的直流返回電流值；如果直流供電設(shè)備是和眾多設(shè)備保護(hù)接地串接互連后共同接大地，則測不到直流返回電流值，但可測到周邊設(shè)備的電流侵入。

該檢測采用數(shù)字鉗形表，在設(shè)備PE接地導(dǎo)線上測量。

4 結(jié)語

靜電放電可對(duì)電子產(chǎn)品和儀器設(shè)備等造成極大損壞，給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大損失。場感應(yīng)模式是靜電放電較為普遍的一種方式，其形成條件較為寬泛，人們?cè)诜治鲭娮赢a(chǎn)品或儀器設(shè)備受損原因時(shí)常常容易忽視其影響。為了最大限度降低場感應(yīng)模式靜電放電帶來的損失，應(yīng)掌握其產(chǎn)生的條件和規(guī)律，總結(jié)有效的防范措施，并制定相應(yīng)的檢測方法。只有這樣，才有可能制造出質(zhì)量可靠的電子產(chǎn)品和儀器設(shè)備。

[1] 吳勇，劉國紅，顧立娟，等.空氣式靜電放電的實(shí)驗(yàn)分析[J]. 高電壓技術(shù),2011,37(1):131-135.

[2] McAteer O J. Electrostatic discharge control [M]. New York: McGraw-Hill，1990.

[3] 劉尚合，魏光輝，劉直承，等. 靜電理論與防護(hù)[M].北京:兵器工業(yè)出版社，1999.

[4] 汪東艷，張林昌.電力電子裝置電磁兼容性的研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2000,15(1):47-51.

責(zé)任編輯馬彤

PrecautionandDetectionofField-InducedModelElectrostaticDischarge

ZHANG He，YANG Hui，XU Haiyan

(Shanhai Jianke Technical Assessment of Construction Co., Ltd.， Shanghai 201108, China)

Field-Induced Model electrostatic discharge (FIM) is a common electrostatic discharge model, which has considerable hidden. It could cause incalculable damage to electronic equipment.If there exists one of the following sequences in the system, it has the basic condition to occur Field-Induced model electrostatic discharge (FIM), which is stray current, harassment current, noise voltage, ground disturbance or improper laying transmission lines. To precaution this model electrostatic discharge, two kinds of methods was introduced in the paper, they are discharging electrostatic to the ground and Source prevention. For the purpose of finding out whether a system is under the danger of FIM, relevant detection measurements were proposed.

field-induced model，electrostatic discharge，detection

O 441

：A

張賀(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)材料和防靜電工程等方面的檢測評(píng)估工作。

2014-09-18