靜電放電抗擾度相關實驗及產(chǎn)品改造分析

劉仁杰

（北京電子科技職業(yè)學院， 北京 100176）

0 引言

靜電放電是一種經(jīng)?？梢砸姷降奈：υ矗?它可以對電子器件產(chǎn)生損壞，對其性能產(chǎn)生影響，由于近些年微電子技術和科技的發(fā)展，靜電放電越來越受到大家的重視。所以當交通、通信、電子等電氣電子設備（產(chǎn)品）受到靜電放電干擾時， 需要對其是否能夠保持性能正?；蛞虼硕馐苄阅芗墑e降低的能力進行測試， 這種能力就稱為靜電放電抗擾度。 靜電放電抗擾度實驗是電磁兼容實驗的重要組成部分， 基本上所有的電子器件都要經(jīng)過靜電放電抗擾度實驗的測試。 靜電放電與電子設備功能失效的關聯(lián)研究仍然是需要重點關注的方向， 改進實驗方法和平臺來替代一些需要用數(shù)學計算所解決的問題才是研究的根本。 為此本文通過實際測試來研究分析了如何正確并有效地提高這些產(chǎn)品的靜電放電抗擾度能力， 對電子器件如何提升靜電放電抗擾度具有一定的參考價值。

1 靜電放電抗擾度實驗概述

1.1 實驗概述

靜電放電抗擾度實驗一般采取與測試時所使用的標準一致，即《GB/T 17626.2 電磁兼容實驗和測量技術靜電放電抗擾度實驗》，該標準明確了實驗等級、測試方法等。

標準中定義的實驗等級如表1 所示。

表1 靜電放電實驗等級

1.2 實驗布置

如圖1 所示為臺式設備的靜電放電抗擾度實驗布置圖，該實驗布置中分別有一個水平耦合板（HCP）和垂直耦合板（VCP），前者使用一個規(guī)格為1.6m×0.8m 的金屬板平放在木桌上，且可對該板直接放電。后者用一個規(guī)格為0.5m×0.5m 的金屬板擺在離EUT 大約0.1m 并與前者空間垂直的地方，另外它們應該彼此絕緣。 EUT 距HCP 邊緣超過0.1m。如果EUT 很大，可以增加一塊HCP，但是不可以搭接，而是要相距0.3m，短的一邊相鄰，并且通過電纜和電阻通到公共地上。

圖1 臺式設備ESD 測試實驗布置示意圖

靜電槍也需連至參考地面， 保證整個系統(tǒng)都是共地的。電纜長度可能會大于事先選好的放電點的距離，多出來的這一部分要避免距離實驗裝備中另外的導電部分太?。ㄏ嗑啻笥诘扔?.2m），同時與參考地之間沒有感應。接在地上的電纜與參考用的與地面相連接的板之間需要相互連接， 其中每一個焊點都應該滿足電阻值低的這一特點。 同時規(guī)定耦合板采用和接地用的參考平面一樣的材料和高度， 而且每段都要帶有一個電纜， 此電纜由一個470kΩ 大小的電阻組成，并連接到接地用的參考平面，將電纜置于接地參考平面上時， 這些電阻器應該能抵御住放電所產(chǎn)生的電壓，并且有良好的絕緣特性，以避免對接地參考平面的短路，也可以防止靜電電荷的累積。

2 靜電放電抗擾度實驗儀器

2.1 靜電放電發(fā)生器概述

靜電放電發(fā)生器如圖2 所示，其主要部分包括：充電電阻Rc（50-100MΩ）、儲能電容器Cs（代表人體電容值，150pF 較合適）、分布電容Cd（測試儀與受測設備間以及接地參照面和耦合板間的空間中出現(xiàn)）、放電電阻Rd（代表手握鑰匙或其他金屬工具的人體電阻，330Ω）等，根據(jù)多種測試及實際應用可確定該原理的測試儀完全能表現(xiàn)出人體放電的放電狀態(tài)[2]。

圖2 靜電放電發(fā)生器電路原理圖

靜電放電發(fā)生器的電壓大小其實是與發(fā)生器所產(chǎn)生脈沖型波形是無關的， 主要影響因素是靜電放電發(fā)生器的儲存能量后的電容、 放電型的電阻和外部所帶物體的種類。因此需要將不同實驗所產(chǎn)生的結果進行對比，用實驗時需要的放電回路電纜進行驗證， 靜電放電發(fā)生器輸出電流的具體波形參數(shù)如表2 所示。 輸出電流的具體波形如圖3 所示。

表2 波形參數(shù)

圖3 輸出電流的典型波形

2.2 TVS 管概述

瞬態(tài)電壓抑制器 （Transient Voltage Suppressor，TVS）是一種有效的電子設備電路保護器件，其響應時間短，為亞納秒級，具有很強的靜電放電防護能力。它是以齊納二極管為基礎構成的穩(wěn)壓器件，由半導體材料硅（Si）和碳化硅（SiC）制作而成，其物理結構如圖4 所示，PN 結的兩邊由重參雜的Ⅲ/V 族元素組成[3]。

TVS 的伏安特性如圖5 所示，其具有雙向穩(wěn)壓作用，同時有很強的電流導通能力。其中UR、UB、IT分別是其在即將發(fā)生反向擊穿時臨界電壓、擊穿電壓及反向電流。 UC表示TVS 管的最大鉗位電壓，IPP表示TVS 的峰值電流。 一般來說電子設備反向工作時其電壓會被TVS 管鉗制在UB～UC范圍之間。 與穩(wěn)壓管二極管區(qū)別的是，IPP的大小更大且TVS 管的響應時間更短。

圖4 TVS 管結構圖

圖5 TVS 的伏安特性曲線

當TVS 的兩個邊緣受到極短時間內產(chǎn)生的大波動沖擊時， 一旦沖擊電壓超過TVS 所能承受的電壓上限時，TVS 會被擊穿，由大電阻變成小電阻， 吸取這個很短時間內產(chǎn)生的高值沖擊電流， 從而可以有效的將其兩側的電壓限制在合理的范圍內。因此，通過并聯(lián)TVS 可以將對電子設備的沖擊有效的分散， 使其工作時不受影響。 TVS 分散極短時間內的沖擊能力時電路如圖6 所示，其抵抗沖擊的電路如圖7 所示。

圖6 TVS 的等效電路

圖7 TVS 在PCB 板工作時的等效電路

在瞬時產(chǎn)生的電壓發(fā)生后TVS管開始受到制約，將峰值電壓按規(guī)定控制在安全的范圍內，如圖8，圖9 所示。 當產(chǎn)生的沖擊值大于其承受值時，TVS 的電阻就會減小，使沖擊能量經(jīng)過TVS，減小被保護電子設備產(chǎn)生干擾； 同時其兩側的沖擊電壓在TVS 管的合理范圍內。 當沖擊能量衰弱后，TVS 管又恢復到初始狀態(tài)。

圖8 TVS 管將有害的瞬態(tài)牽制在安全范圍內

圖9 TVS 管將瞬態(tài)電流轉移到地

3 實驗室實際實驗概述

3.1 靜電放電抗擾度實驗

（1）靜電放電實驗種類：①對導體表面或對耦合平面的接觸放電就是不通過其他途徑地直接對著物體放電，多數(shù)情況下就采用接觸放電， 它用尖的電極頭對設備可觸及的放電點直接放電，從而可以得到工作者與EUT 直接接觸時發(fā)生的靜電放電情況。 耦合平面包括垂直耦合和水平耦合，屬于間接放電；②在絕緣表面上的空氣放電適用于無法碰到的放電點，如表層加有絕緣層、中間存有空隙等。 它主要模擬工作者對在被測設備附近安置的物體放電時的狀態(tài)。 它用圓形電極頭距EUT 至少15mm，對準放電位置垂直EUT（±15°），以速度小于5 mm/s 緩慢靠近，直到放電[4]。

（2）放電施加點的選擇：除非在一些標準里有特殊的規(guī)定， 靜電放電只對平時工作人員能夠經(jīng)常觸碰到的一些外表面和點進行釋放。

（3）實驗方法：正式實驗前需要以20 次/秒的速率對受測裝置表面進行全面的快速放電， 這樣可以高效率地發(fā)現(xiàn)設備敏感度低的具體位置。對于鄰近物體間的放電，對擺放在或裝配于被測器件周圍的物體放電可通過靜電放電發(fā)生器直接向周圍（相距10cm）的耦合板（50cm×50cm）施加電壓來效仿。 正式實驗時采用如下方法： ①單次放電；②在選定點與地之間進行放電；③每個確認的點都有正負兩個極性，用最不易承受極性電壓的極性進行放電，并且進行大于10 次實驗；④相鄰兩次放電之間至少間隔1 秒，以便讓設備來得及響應；⑤加入TVS 管后再進行一次相同的操作過程；⑥有梯度的緩慢上升至規(guī)定值，以避免損壞設備。

3.2 靜電放電抗擾度實驗結果

實驗結果因為前后兩次加入了TVS 管而不同， 從圖10 和11 可以看出， 加入TVS 管保護后的器件更不容易受到靜電放電的干擾， 其靜電放電抗擾度性能得到了提升，通常情況下受到靜電放電的器件可以分為以下四類：

（1）性能在規(guī)定需求的限值內完全正常。

（2）性能短時降低或喪失，不再施加噪聲干擾后工作者未介入便自動復還。

（3）性能暫時降低或喪失，并且工作者介入后才能復還。

（4）由于軟硬件損壞、數(shù)據(jù)丟失等，性能降或低喪失， 并且在操作員干預下也不能恢復。

圖10 未加TVS 管的電壓波形

圖11 加入TVS 管后的電壓波形

所以通過觀察波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在未加裝TVS 加裝時靜電放電抗擾度等級所呈現(xiàn)的現(xiàn)象大概介于（2）和（3）之間，而加裝TVS 管保護后靜電放電抗擾度性能呈現(xiàn)的現(xiàn)象可以上升到（1）與（2）之間，這就說明TVS 管對于提升元器件的靜電放電抗擾度性能有著顯著的效果。

4 靜電放電抗擾度測試相關案例

我們選用一種醫(yī)用儀器進行加裝TVS 管的靜電放電抗擾度改造實驗， 按照中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標準（YY-0505-2012），其耦合放電應通過8kV 左右的靜電放電測試。采用靜電槍對設備進行靜電放電測試，該款設備的表面金屬部分4kV 左右的接觸放電測試和非金屬部分4kV 左右的空氣放電測試均未能通過， 經(jīng)過幾次靜電槍放電后顯示器上的時間便停止跳動，出現(xiàn)死機現(xiàn)象，如下圖12 所示。

通過觀察設備并打開外殼后，其內部有帶顯示器的PCB 電路板，內殼為金屬材質并覆蓋有絕緣漆層，很多設備都缺乏相應保護措施且沒有地線。在進行測試時，瞬間的沖擊能量產(chǎn)生的電流進入， 內部設備缺乏抵抗靜電的能力，因此測試失敗。在進行氣隙放電荷耦合放電測試的時候， 由于電磁場的感應作用， 靜電放電所產(chǎn)生電流涌入PCB 電路，導致設備不正常工作。

根據(jù)以上分析， 可以通過以下三個方面可以對此設備進行靜電放電抗擾度改造。

（1）金屬桿接地處理：良好的接地可以快速的將靜電放電產(chǎn)生電荷釋放出去， 使帶電體上一些聚集起來的電荷可以避開敏感器件并被迅速導入相連接的地面。 如果金屬材質可以采用屏蔽的措施接地， 則其外部會產(chǎn)生與帶電導體類型相同，數(shù)量相同的電荷將流入地面，金屬殼外表面將不會再存在電場， 相當于將殼內的帶電體隔離了。故根據(jù)以上分析，具體操作如圖13，圖14 所示。

經(jīng)過測試， 當設備進行如上接地處理后， 其抗接觸放電能力和抗空氣放電能力有了較大的改善。

（2） 在對耦合放電敏感的部位貼銅膜進行屏蔽。 通過在設備上包覆一層導電薄膜進行屏蔽。如圖15 所示是銅膜屏蔽時的等效模型，圖16 是其等效電路圖， 當敏感器件被銅箔覆蓋時， 一部分由于趨膚效應會將靜電放電產(chǎn)生能量反射出去， 另外一些部分由于銅箔層可等效為一個等電位體， 因而其內部空間的電磁場為零， 電壓差也為零， 從而提高了設備的靜電放電抵御能力。 在測試過程中， 可以通過示波器診斷哪些器件或者哪些管腳對靜電比較敏感，然后將其屏蔽。 經(jīng)過實驗，其抗接觸放電能力和抗空氣放電能力進一步得到了提高。

圖12 設備故障情況

圖13 接地示意圖

（3）在芯片電源端口并聯(lián)TVS 防護靜電放電所產(chǎn)生的電流。 靜電放電的極短時間沖擊能量會影響到相鄰的線路上，會嚴重危及電子設備器件。鑒于TVS 管抑制靜電放電的優(yōu)良特性以及設備中的PCB 板相對敏感， 故采用將顯示屏PCB 板上的時間信號芯片的電源引腳和信號引腳對地并聯(lián)TVS 的整改措施，如圖17 所示。

當電子設備經(jīng)過一系列測試改造措施后，該款設備其耦合放電已通過行業(yè)標準所要求的8kV 左右的靜電放電測試，并且其表面金屬部分4kV 左右的接觸放電測試和非金屬部分4kV 左右的空氣放電測試均順利通過實驗。

圖15 銅膜屏蔽的等效模型

圖16 銅膜屏蔽的等效電路圖

圖17 TVS 處理等效示意圖

5 結束語

如今電路的高度集成使得靜電儼然變作電力電子領域的潛在破壞者， 要挾了電子產(chǎn)品的正常運行和安全問題。 由于靜電不可能消除和避免，一些設備、系統(tǒng)、電子元器件的靜電放電抗擾度就顯得極為重要。 本文針靜電放電抗擾度實驗進行了相關的研究， 具體介紹了實驗所涉及到的設備以及實驗過程， 同時利用相關案例更加清楚的表明了TVS 管在提升靜電放電抗擾度所具有的價值，對降低靜電放電損害、 確保產(chǎn)品可靠性能有系統(tǒng)的借鑒價值。