空气静电放电若干特性分析

针对国际电工委员会标准IEC61000-4-2静电放电抗扰度试验方法存在的问题,对影响空气静电放电的一个重要因素-电弧结构进行了讨论。在此基础上,利用新研制的静电放电模拟测试系统,分析了接近速度和放电电压对放电电流峰值、上升时间、感应电压峰—峰值以及试验结果重复性的影响。试验结果表明:放电电压一定时,放电电流峰值、感应电压峰-峰值随接近速度的增大而增大;上升时间随接近速度的增大而减小;在一定的接近速度和放电电压下,空气静电放电也可以实现较好的重复性。这些规律性的试验结果,为建立静电放电抗扰度试验新方法提供了依据。     

影响空气式静电放电特性的相关因素分析

为了提高静电放电特别是空气式静电放电试验结果的重复性,从理论和试验两方面对影响空气式静电放电(ESD)特性的相关因素进行了研究,结果表明:电弧长度是影响空气式ESD特性的一个最直接因素,不同电弧长度会得到差别很大的空气式ESD事件,相同放电条件下,电弧长度越短,峰值电流越大,上升时间越小;其它条件一定的情况下,电极的接近速度会影响到电弧长度而引入时间相关效应,进而影响空气式ESD特性,比如当放电电压一定时,接近速度越快,峰值电流越大,上升时间越小;不同的放电电极极性将产生空间极性效应或空间电荷效应,从而影响空气式ESD特性;不同的环境条件尤其是空气成分与空气湿度对空气式ESD的影响很大。这些研究成果将为空气式ESD的试验规律研究提供理论依据。     

对空气式静电放电的研究

为改善空气放电模拟方法,用静电放电模拟测试装置研究了IEC标准规定的空气式静电放电的放电特性。通过手动方式使充电后的放电电极快速靠近电流靶获得空气静电放电事件,放电电压具有2~20 kV较宽范围的电压电平和正负电压极性。利用Agilent数字存储示波器测量了空气静电放电放电电流的上升时间、峰值以及耦合到自制的金属半圆环上的峰-峰值电压,并记录了放电电流和耦合电压的波形。通过分析和比较测量结果研究了测量参数随放电电平的变化趋势。空气放电电流的特性与静电放电抗扰度试验标准IEC 61000-4-2对接触式放电的规定类似,耦合电压与放电电压之间没有直接的相关性。实验表明在一定电压范围、电极速度可控时可能获得空气放电的重复性。     

空气式静电放电的实验分析

针对国际电工委员会标准IEC 61000-4-2静电放电抗扰度试验方法存在的问题,对空气式静电放电进行实验研究.利用新型静电放电(ESD)模拟测试系统,在较宽范围的电压电平下,用数字存储示波器对放电电流的上升时间、峰值、自制金属半圆环天线上的耦合电压峰一峰值进行测量.测量结果的分析表明:不同空气湿度下的ESD特性存在着...     

静电放电抗扰度试验中放电电压对放电参数的影响

针对静电放电(electrostatic discharge,ESD)抗扰度测试中存在的重复性问题,利用建立的ESD模拟测试系统,试验研究了接触式静电放电和非接触式静电放电(又称空气式静电放电)这2种放电模式下的放电参数,比如放电电流、上升时间、半圆环天线上的耦合电压等随放电电压的变化关系。结果表明:接触式静电放电模式下,放电参数与放电电压呈现很好的线性关系,放电参数随着放电电压的增大而呈现增大趋势,基于这种线性关系建立了ESD模拟器的严酷度模型;非接触式静电放电模式下,放电参数与放电电压关系复杂,当放电电压较低时,放电电流和耦合电压随着放电电压的增大而呈现增大趋势,上升时间最初基本保持不变,随后也呈现增大趋势,当放电电压增大到一定值时,随着放电电压的进一步增大,放电参数呈现下降趋势。上述结果说明,放电电压在静电放电抗扰度试验中起着重要作用,在进行电子设备的静电放电抗扰度试验时,既要注重放电模式的选择,又要注重所选放电模式下放电电压的使用范围。     

固定间隙的空气式静电放电

为更好地研究空气式静电放电,利用新型ESD模拟测试系统研究了固定间隙的空气式静电放电特性。在较宽范围的电压电平下,用数字存储示波器测量放电电流的上升时间、峰值、自制金属半圆环上的耦合电压峰-峰值,并记录了放电电流和耦合电压的波形。分析测量结果及其与放电电压和放电间隙之间的变化关系,可知在一定的间隙间距上,放电电流随着放电电压的增大而增大,高压放电也能产生上升沿比较陡的电流脉冲;在一定的放电电压下,存在着一个放电间隙间距使得放电电流峰值最大或耦合电压最大;不同电压下的频谱分布和能量分布不一样。     

IEC61000-4-2标准试验平台的局限性分析及其完善的探讨

为解决国际标准IEC 61000-4-2规定的静电放电(ESD)抗扰度试验平台存在的局限性,通过分析ESD模拟器开关动作、ESD电流及其导数、ESD辐射场、试验结果的判定准则和试验方法的不完善规范对ESD抗扰度试验的影响,探讨了IEC标准试验平台问题存在的原因.研究发现,ESD模拟器开关动作对试验结果会产生很大影响,其...     

空气间隙固定和连续变化时的空气静电放电事件研究

为得到2种状态下空气静电放电（ESD）辐射电磁场与放电间隙间距、放电电压和电极接近速度之间的关系,在-30～30kV的宽电压范围和多种温湿度条件下,通过实验测量记录了两种状态的空气ESD事件;给出了空气ESD事件的解释;提出了空气ESD存在“增长间隙区”、“跌落间隙区”、“平坦间隙区”和“零放电间隙区”4个放电间隙区。...     

ESD发生器开关动作对抗扰度试验的影响

分析了人体-金属静电放电(ESD)发生器开关动作的基本过程;说明了在ESD抗扰度试验中ESD发生器开关动作的影响。通过空气放电模拟测试装置测量并记录了ESS-200 AX、SANKI NS61000-2A和NSG-435 3种ESD发生器开关动作的影响。由小环耦合电压的测量研究了ESD发生器开关动作产生的辐射场。结果表明,使用不同的ESD发生器开关动作的影响程度不一样,且使用相同的ESD发生器开关闭合和开关释放的影响存在差异。对小环耦合电压的频谱分析表明,开关动作会产生频谱范围较宽的电磁骚扰,影响对高速逻辑器件的ESD抗扰度试验。在进行ESD抗扰度试验时,需考虑ESD辐射场,尤其需要降低或控制ESD发生器开关动作产生的辐射场。     

静电放电电磁场的特性及分布规律

现行的静电放电(ESD)抗扰度测试标准IEC 61000-4-2只规定了放电电流的波形,没有对实验平台上的辐射场进行说明,经常会出现实验结果不一致的情况。为解决静电放电抗扰度实验重复性差的问题,选取3种不同厂商生产的符合IEC标准规定的静电放电模拟器进行实验,并在不同位置测量放电过程中产生的磁场和电场。实验结果表明:在严格控制实验条件的情况下,模拟器的重复性可以得到保证。距离放电点较近处,不同品牌模拟器产生的电磁场一致性较差,但随着测试距离的增大差异逐渐减小。抗扰度实验平台上磁场强度随着测试距离的增加单调减少,而电场强度先减小,在靠近金属板边缘处反而增大。此外,电场和磁场均在距放电点20cm区域内变化剧烈,40cm以外区域内变化缓慢。所以,新的静电放电抗扰度测试标准应该规范放电过程中的电磁场,适当增大放电点和受试设备间的距离可提高抗扰度实验结果的一致性,并通过提高放电电压来保证测试的严酷等级。     

Characteristic measurement of discharge current injected by the air discharge of an ESD gun onto a ground

An immunity testing method for electrostatic discharge (ESD) is being specified in IEC 61000‐4‐2, in which the contact discharge of an ESD gun is being normally specified. Air discharge testing is known to be a severe immunity test compared to contact discharge testing, while the discharge current injected is not well reproduced. Grasping the behavior of the current injected by the air discharge would be helpful in establishing the worst‐case ESD immunity testing. We previously measured the discharge currents for air discharge testing onto the IEC‐recommended current transducer with a commercially available ESD gun, and showed that there exists a specific relationship of Ip·tr^ξ/V_c=constant (ξ=0.75), between rise time tr and current peak Ip. The current transducer, however, has a frequency‐dependent transfer impedance which should affect the measured current waveform. In this study, we investigated whether the above‐mentioned specific relationship can be obtained for air discharge of an ESD gun onto a ground that assumes a metal enclosure of electronic equipment under test. A method was presented for estimating the discharge current from simultaneously measured magnetic fields with two magnetic field probes regardless of the distance between the gun discharge‐point and the probe position. This method was validated for contact discharge of an ESD gun to an SMA connector. With this method, we estimated the discharge currents injected onto a ground for air discharge testing of an ESD gun with intentionally fast and slow approaches. As a result, we could confirm a specific relationship between rise time tr and current peak Ip of Ip·tr^ξ/V_c=constant with ξ=0.57 independent of charge voltages and gun approaches. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 158(4): 51– 59, 2007; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20454     

IEC61000-4-2规定的实验平台与方法的局限性

研究了静电放电抗扰度试验,发现满足IEC6100042标准规定的不同的ESD模拟器对同一试验对象所得实验结果不同;放电电流导数和模拟器内部开关继电器的电磁辐射对实验结果有很大影响。分析认为,造成上述问题的原因之一是IEC标准对电流校验波形的规定不够严格,未具体规定空气放电方式,使实验结果与实际不符。最后建议标准应规定电流导数波形参数,限制电流波形的振荡;必要时应对模拟器开关采取屏蔽措施,限制模拟器开关的辐射;应进一步研究空气放电的特点,建立符合实际应用需要的实验平台。     

Variations in discharge current waveforms and their power spectra injected from contact discharges of ESD‐gun with different arrangements

The International Electrotechnical Commission (IEC) has prescribed an immunity test (IEC61000‐4‐2) of electronic equipment against electrostatic discharges (ESDs), in which a discharge current to be injected onto equipment under test is specified. As for the waveform, however, not the whole waveform but only the rise time, the first peak, and the current amplitudes at 30 and 60 ns are given in the time domain together with their uncertainties, which are required to check on the condition that an ESD generator (ESD‐gun) shall be arranged vertically to an IEC‐recommended calibration target and its earth return wire is kept away as far as possible from a vertical ground plane (IEC standard arrangement). In this study, to clarify how arrangements of an ESD‐gun and its earth return wire affect discharge currents, we measured discharge current waveforms for contact discharges of an ESD‐gun onto an IEC calibration target with respect to various inclinations of the ESD‐gun and arrangements of its earth return wire, and also calculated their current power spectra normalized to that of the discharge current for the IEC standard arrangement. As a result, we found that inclinations of the ESD gun affect the first peak current, which increases current power spectra by 14 dB at frequencies over 300 MHz, and that arrangements of the return wire influence the current waveforms between the first and second peaks, which provides variations in power spectra by ±12 dB in the frequency range from 10 MHz to 200 MHz. This finding suggests that arrangements of an ESD‐gun and its earth return wire are likely to cause different immunity test results. It was also found that in comparison with measured discharge currents for the standard arrangement, the calculated waveform of a discharge current from a formula, which has been included in the recent standard, has a more gentle falling waveform, and produces power spectra of +15 dB in the frequency range from 10 MHz to 200 MHz and –12 dB at frequencies over 300 MHz. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 180(1): 9–14, 2012; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21270     

Effect of Moving Speed of Charged Metallic Spherical Electrode on Electrostatic Discharge

In this investigation, the nature of the electrostatic discharge (ESD) that occurs when a charged object moves toward a stationary grounded object is experimentally clarified. The spark lengths, discharge currents, and induced voltages in a magnetic probe were measured when a charged metallic spherical electrode connected to a 422 pF capacitor approached a stationary grounded object, which was the current target, for different moving speeds of the charged metallic spherical electrode in a range of 1 mm/s to 100 mm/s. The charge voltages of the capacitor were +6.5 kV and +10 kV. Based on the results, the average gap length shortened with the speed of the spherical electrode. The average peak values of the discharge current and the induced voltage were likely to increase with the speed of the spherical electrode. The average rise times of the discharge current and the induced voltage were likely to drop with the speed of the spherical electrode. The relation between the spark length and the discharge current due to the ESD can be explained qualitatively by using an equation derived from the spark resistance formula proposed by Rompe and Weizel.     

静电放电对 PCB 轨线耦合的实验及仿真研究

印刷电路板(printed circuit board,PCB)易受到静电放电的危害,继而影响电子产品的正常使用。为了获得PCB的静电放电能量耦合规律,对简化的PCB进行静电放电测试。通过对PCB轨线上的耦合电压的测量,研究了放电位置、轨线特性及放电电压对静电放电电磁场耦合的影响。测试结果表明,放电位置、轨线宽度、长度和端接电阻会影响耦合电压的大小和变化趋势,放电电压和耦合电压呈现良好的线性关系。同时,根据在电磁仿真软件(compilation simulation technology microwave studio,CST-MWS)中建立的全波模型,从仿真的角度进一步论证了测试结果。研究结果对PCB电磁兼容设计具有一定指导意义。     

聚合物ESD抑制器抑制特性的测试方法

为了消除静电放电时产生的辐射场对静电放电抑制器测试结果的影响,基于法拉第笼的屏蔽效应、依据国际电工委员会IEC61000-4-2标准和国军标GJB911-1990,利用静电放电模拟器和静电放电电流波形测试装置等设备,测试了某型号聚合物静电放电抑制器的抑制特性。测试结果表明,采用IEC61000-4-2标准规定的电流靶结合法拉第笼的方法,测试静电放电时通过抑制器的电流,能够保证电流波形不失真;而加在抑制器两端的电压,须使用有效带宽足够宽的电压探头配合示波器来测量,同时应尽可能消除静电放电时产生的辐射场对电压探头的影响。