静电放电抗扰度测试

静电放电抗扰度测试
1 静电的产生与危害静电放电是一种自然现象,经验表明,人在合成纤维的地毯上行走时,通过鞋子与地毯的摩擦,只要行走几步,人体上积累的电荷就可以达到10-6库仑以上(这取决于鞋子与地毯之间的电阻),在这样一个"系统"里(人/地毯/大地)的平均电容约为几十至上百pF,可能产生的电压要达到15kV. 研究不同的人体产生的静电放电,会有许多不同的电流脉冲,电流波形的上升时间在100ps至30ns之间.电子工程师们发现,静电放电多发生于人体接触半导体器件的时候,有可能导致数层半导体材料的击穿,产生不可挽回的损坏静电放电以及紧跟其后的电磁场变化,可能危害电子设备的正常工作。

2 静电放电试验
GB/T17626.2描述的是在低湿度环境下,通过摩擦使人体带电.带了电的人体,在与设备接触过程中就可能对设备放电.
静电放电抗扰度试验模拟了两种情况:
⑴设备操作人员直接触摸设备时对设备的放电,和放电对设备工作的影响;
⑵设备操作人员在触摸邻近设备时,对所关心这台设备的影响.
其中前一种情况称为直接放电(直接对设备放电);后一种情况称为间接放电(通过对邻近物体的放电,间接构成对设备工作的影响).
静电放电可能造成的后果是:
(1)通过直接放电,引起设备中半导体器件的损坏,从而造成设备的永久性失效.
⑵由放电(可能是直接放电,也可能是间接放电)而引起的近场电磁场变化,造成设备的误动作. 试验配置
由于静电放电的电流波形十分陡峭,前沿己经达到0.7～1ns,其包含的谐波成分至少要达到500MHz以上,因此试验室里试验配置的规范性是保证试验结果重复性和可比性的一个关键. 下图上海三基电子工业有限公司提供的台式与落地式两种设备的试验配置.
①木制试验台1700×900×800mm ①绝缘支座1100×800×100mm
②参考接地板2700×1800×1.5mm ②参考接地板2700×1800×1.5mm
③垂直耦合板500×500×1.5mm
③垂直耦合板500×500×1.5mm
④水平耦合板1600×800×1.5mm
④垂直耦合板支架500×500×1200mm
⑤绝缘垫板1400×600×0.5mm ⑤两端带470kΩ电阻的连接线(一根)
⑥两端带470kΩ电阻的连接线(两根)
静电放电试验的实验室
配置可以由用户自行制作,标准对此作出了规定,归结起来有以下几点:
⑴参考接地板采用0.25mm以上铜板或铝板(铝板易氧化,慎用).如用其他金属,厚度至少是0.65mm以上.参考接地板实际尺寸不限,要求四周均超出被试设备(指地面设备)或试验桌台面水平耦合板(用于台式设备)的每边0.5m以上.参考接地板要和试验室的保护接地线相连.
⑵水平耦合板(仅台式设备有)和垂直耦合板(后者有绝缘支架)的材料与参考接地板相同.两块耦合板各有一根两端接有470kΩ电阻的电缆线与参考接地板相连,以便泄放试验中静电电荷.要求所用电阻有承受放电的能力;整个电缆有绝缘保护,避免与接地板短路.
⑶对台式设备,在水平耦合板上覆一块0.5mm的绝缘薄板,要求试验中此板不明显积聚电荷.在台式设备试验中,水平耦合板至少比试品的每一边大出0.1m.如试品太大,要么选用更大的试验台;要么选用两张同样的试验台来摆放试品,桌面上的水平耦合板不必焊在一起,而可以在两张桌子的并合处覆一块同样材质的金属,只要各压住每个桌面0.3m以上即可.但要求两张桌子的水平耦合板用电阻线分别与参考接地板相连. ⑷对地面设备,在参考接地板上要有一个0.1m高的绝缘支座,试品和试品电缆放在绝缘支座.
⑸所有连接线(包括参考接地板的接地电缆;耦合板上的带电阻的连接电缆;以及放电枪接到参考接地板上的接地回线等)都必须保持低阻抗的连接.
⑹其他应注意的地方 A.在距试品1m以内应无墙壁和其他金属物品(包括仪器).
B.试验中的试品要尽可能按实际情况布局(包括电源线,信号线和安装脚等等).接地线要按生产厂的规定接地(没有接地线的就不接),不允许有额外的接地线.
C.放电时,放电枪的接地回线与试品表面至少保持0.2m的间距,避免相互间有附加感应,影响试验结果.
试验方法
标准规,凡被试设备正常工作时,人手可以触摸到的部位,都是需要进行静电放电试验的部位(这样的部位,除机壳以外,其他如控制键盘,显示屏,指示灯,旋钮,钥匙孔,电源线等都在考核范围内).
试验时,被试设备处在正常工作状态. 试验正式开始前,试验人员对试品表面以20次/秒的放电速率快速扫视一遍,以便寻找试品的敏感部位(凡扫视中有引起试品数显跳动,动作异常迹象的部位,都作为正式试验时的重点考查部位,应记录在案,并在正式试验时应在其周围多增加几个考查点).
正式试验时,放电以1次/秒的速率进行(也有规定为1次/5秒的产品),以便让试品来得及作出响应.通常对每一个选定点上放电20次(其中10次是正的,还有10次是负的). 原则上,凡可以用接触放电的地方一律用接触放电.对有镀漆的机壳,如制造厂未说明是作绝缘的,试验时便用放电枪的尖端刺破漆膜对试品进行放电.如厂家说明是做绝缘使用时,则改用气隙放电.对气隙放电应采用半圆头形的电极,在每次放电前,应先将放电枪从试品表面移开,然后再将放电枪慢慢靠近试品,直到放电发生为止.为改善试验结果的重复性和可比性,放电电极要垂直试品表面.
间接放电:
①对水平耦合板,放电枪垂直地在离开试品0.1m处用接触放电方式进行放电.
②对垂直耦合板,耦合板应放在离试品0.1m处,放电枪要垂直于耦合板一条垂直边的中心位置上进行放电.对试品垂直方向的四个面都要用垂直耦合板做间接放电试验.
电快速瞬变脉冲群产生的原理：
当电感性负载（如继电器、接触器等）在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的瞬态骚扰。

当电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。

这种瞬态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏，但由于其频谱分布较宽，所以会对移动电话机的可靠工作产生影响。

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验相关问题的分析
电快速瞬变脉冲波形通过充电器直接传导进手机，导致主板电路上有过大的噪声电压。

当单独对火线或零线注入时，尽管是采取的对地的共模方式注入，但在火线和零线之间存在差模干扰，这种差模电压会出现在充电器的直流输出端。

当同时对火线和零线注入时，存在着共模干扰，但对充电器的输出影响并不大。

造成手机在测试过程中出现问题的原因是复杂的，具体表现为:
1)前期设计时未考虑电快速瞬变脉冲群抑制功能，没有添加相关的滤波元器件，PCB设计综合布线时也没有注意线缆的隔离，主板接地设计也不符合规范，另外关键元器件的也没有采取屏蔽保措施等；
2)生产厂在元器件供应商的选择上没有选用性能可靠的关键器件，导致测试过程中器件老化或者器件失效，从而容易受到电快速瞬变脉冲的干扰；
3)在整机生产组装过程中，加工工艺及组装水平出现的问题可能会导致产品一致性不好，别送检手机存在质量问题；
4)检测过程中由于其他测试项出现问题导致整改，可能由于整改方案的选择会影响到电快速瞬变脉冲群测试不合格。

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验相关问题的改进建议
针对电快速脉冲群干扰试验出现的问题，主要可以采取滤波及吸收的办法来实现对电快速瞬变脉冲的抑制。

1)在手机设计初期就应重点考虑抑制电快速瞬变脉冲群干扰设计：
在PCB层电源输入位置要做好滤波，通常采用的是大小电容组合，根据实际情况可以酌情再添加一级磁珠来滤除高频信号，尽量采用表面封装；尽量减小PCB的地线公共阻抗值；PCB布局尽量使干扰源远离敏感电路；PCB的各类走线要尽量短；减小环路面积；在综合布线时要注意强弱电的布线隔离、信号线与功率线的隔离，综合布线是系统很重要的一个设计组成部分，一个糟糕的综合布线格局很可能断送一个设计精良的PCB的稳定性；
关键敏感芯片需要屏蔽；
软件上应正确检测和处理告警信息，及时恢复产品的状态；
2)元器件的选择上应使用质量可靠的芯片，最好做过芯片级的电磁兼容仿真试验，质量可靠的充电器、数据线及电池的选用可提升对电快速瞬变脉冲信号的抑制能力；
3)厂家在组装生产环节中应严把质量关，做好生产工艺流程控制，尽量保证产品质量的一致性，减少因个别手机质量问题带来的测试不合格现象；
4)EFT测试过程中如出现问题，可采用在充电器增加磁环或者电快速瞬变脉冲群滤波器的方法进行整改，选用磁珠的内径越小、外径越大、长度越长越好；采用加TVS管的整改方法作用有限；
5)根据最新GB/T17626.4-2008标准要求，重复频率将增加100kHz选项，将会比5kHz更为严酷，希望厂家及早重视进行相关的电快速瞬变脉冲群测试防护工作。

下面是在实验室进行电快速脉冲群抗扰度试验时所必须的配置：
1.参考接地板用厚度为0.25mm以上的铜板或铝板（需提醒的是，普通铝板容易氧化，易造成试验仪器、受试设备的接地电缆与参考接地板之间塔接不良，宜慎用）；若用其他金属板材，要求厚度大于0.65mm。

参考接地板的尺寸取决于试验仪器和受试设备，以及试验仪器与受试设备之间所规定的接线距离（1m）。

参考接地板的各边至少应比上述组合超出0.1m。

参考接地板应与实验室的保护地相连。

2.试验仪器（包括脉冲群发生器和耦合/去耦网络）放置在参考接地板上。

试验仪器用尽可能粗短的接地电缆与参考接地板连接，并要求在搭接处所产生的阻抗尽可能小。

3.受试设备用0.1±0.01m的绝缘支座隔开后放在参考接地板上（如果受试设备是台式设备，则应放置在离参考接地板高度为0.8±0.08m的木头桌子上）。

受试设备（或试验桌子）距参考接地板边缘的最小尺寸满足项1（0.1m）的规定。

受试设备应按照设备的安装规范进行布置和连接，以满足它的功能要求。

另外，受试设备应按照制造商的安装规范，将接地电缆以尽量小的接地阻抗连接到参考接地板上（注意，不允许有额外的接地情况出现）。

当受试设备只有两根电源进线（单相，一根L，一根N），而且不设专门接地线时，受试设备就不能在试验时单独再拉一根接地线。

同样，受试设备如果通过三芯电源线进线（单相，一根L，一根N，及一根电气接地线），未设专门接地线时，则此受试设备也不允许另外再设接地线来接地，而且受试设备的这根电气接地线还必须经受抗扰度试验。

4.受试设备与试验仪器之间的相对距离以及电源连线的长度都控制在1m，电源线的离地高度控制在0.1m，如有可能，最好用一个木制支架来摆放电源线。

当受试设备的电源线为不可拆卸，而且长度超过1m时，那么超长部分就应当挽成个直径为0.4m的扁平线圈，并行地放置在离参考接地板上方0.1m处。

受试设备与试验仪器之间的距离仍控制为1m。

标准还规定，上述电源线不应采用屏蔽线，但电源线的绝缘应当良好。

5.试验应在试验室中央进行，除了位于受试设备、试验仪器下方的参考接地板以外，它们与其他所有导电性结构（例如屏蔽室的墙壁和实验室里的其他有金属结构的试验仪器和设备）之间的最小距离为0.5m。

6.当使用耦合夹做被试系统的抗扰度试验时，耦合夹应放置在参考接地板上，耦合夹到参考接地板的边缘尺寸的最小距离为0.1m。

同样，除了位于耦合夹下方的参考接地板以外，耦合夹相对所有其他导电性结构之间的最小距离是0.5m。

如果试验是针对系统中一台设备（如EUT1）的抗扰度性能测试来说时，则耦合夹与EUT1的距离关系保持不变，而将耦合夹相对EUT2的距离增至5m
以上（标准认为较长的导线足够使线路上的脉冲群信号损耗殆尽）。

耦合夹也可由1米长的铝箔包裹受试电缆代替，前提是它可以提供和耦合夹一样的等效电容（100pF）。

如果现场条件不允许放置1m长的铝箔也可以适当缩短长度，但仍要保证等效耦合电容。

也可以将发生器的输出通过100pF的高压陶瓷电容直接加到受试电缆的芯线或是外皮。

7．在电源线上的试验通过耦合/去耦网络以共模方式进行，在每一根线（包括设备的电气接地线）对地（对参考接地板）施加试验电压。

要求每一根线在一种试验电压极性下做三次，每次一分钟，中间相隔一分钟。

在一种极性做完后，换做另一个极性。

一根线做完后，换做另一根线。

当然也可以把脉冲同时注入两根线，甚至几根线。

四．试验等级试验等级所代表的典型工作环境如下：1级，具有良好保护的环境。

计算机机房可代表此类环境；2级，受保护的环境。

工厂和发电厂的控制室可代表此类环境；3级，典型工业环境。

发电厂和户外高压变电站的继电器房可代表此类环境；4级，严酷的工业环境。

为采取特别安装措施的电站或工作电压高达50万伏的开关设备可代表此类环境；X级，由厂家和客户协商决定。

浪涌冲击形成的机理
电磁兼容领域所指的浪涌冲击一般来源于开关瞬态和雷击瞬态。

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系统开关瞬态与以下内容有关：
a ）主电源系统切换骚扰，例如电容器组的切换；
b ）配电系统内在仪器附近的轻微开关动作或者负荷变化；
c ）与开关装置有关的谐振电路，如晶闸管；
d ）各种系统故障，例对设备组接地系统的短路和电弧故障。

试验实施
电源、信号和其他功能电量应在其额定的范围内使用，并处于正常的工作状态。

根据要进行试验的EUT的端口类型选择相应的试验试验波形发生器和耦合单元及相应的信号源内阻。

使受试设备处于典型工作条件下，根据受试设备端口及其组合，依次对各端口施加冲击电压，。

每种组合应针对不同脉冲极性进行测试，两次脉冲间隔时间不少于1min。

对电源端子进行浪涌测试时，应在交流电压波形的正、负峰值和过零点分别施加试验电压。

对电源线和信号线应分别在不同组合的共模和差模状态下施加脉冲冲击。

每种组合状态至少进行5次脉冲冲击。

若需满足较高等级的测试要求，也应同时进行较低等级的测试。

只有两者同时满足，我们才认为测试通过。

雷击浪涌试验有共模和差模两种。

因此浪涌吸收器件的使用要考虑到与试验的对应情况。

为保证使用效果，浪涌吸收器件要用在进线入口处。

由于浪涌吸收过程中的di/dt特别大，在器件附近不能有信号线和电源线经过，以防止因电磁耦合将干扰引入信号和电源线路。

此外，浪涌吸收器件的引脚要短；吸收器件的吸收容量要与浪涌电压和电流的试验等级相匹配。

雷击浪涌试验的最大特点是能量特别大。

所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的方案基本无效；必须使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌抑制器件才行。

浪涌抑制器件的一个共同特性就是阻抗在有浪涌电压与没浪涌电压时不同。

正常电压下，它的阻抗很高，对电路的工作没有影响；当有很高的浪涌电压加在它上面时，它的阻抗变得很低，将浪涌能量旁路掉。

这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间，当浪涌电压出现时，迅速导通，以将电压幅度限制在一定的值上压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管具有不同的伏安特性，因此浪涌通过它们时发生的变化不同.。