ESD模拟器电压校准方法研究

王书平 王 彪

(军械工程学院静电与电磁防护研究所，石家庄 050003)



ESD模拟器电压校准方法研究

王书平 王 彪

(军械工程学院静电与电磁防护研究所，石家庄 050003)

本文在研究不同类型ESD模拟器放电电压校准的基础上，为不能从ESD模拟器放电电极进行校准的模拟器提出了新的校准方法，即用间接测量法对ESD模拟器的多个参数进行校准，根据校准结果判断被校ESD模拟器的放电电压是否满足相关标准的要求。该方法对ESD模拟器具有普遍适用性。

ESD模拟器；放电电压；校准

0 引言

随着电子器件向微型化、高集成化和低功耗方向发展，静电放电(ESD)对电子器件及其组成的电子设备/产品造成的危害越来越严重。据统计，在全球电子工业损失中，约有33%是静电造成的[1]。目前，我国强制对电子产品实施的3C认证，就包含ESD抗扰度试验。ESD扰度试验所用的测试设备就是ESD模拟器。为了保证静电放电抗扰度测试的准确性，需要对ESD模拟器进行定期校准。

目前，国际公认的静电放电抗扰度测试标准是国际电工委员会标准IEC61000-4-2(EMC-Part4-2，2008)。我国现行的GB/T17626.2-2006标准中“静电放电抗扰度试验”等同于IEC61000-4-2标准2001版。标准规定了静电放电电流波形参数指标和具体的校准方法，规定了ESD模拟器的放电电压的技术指标和校准部位。

依据我国现行校准规范对模拟器进行校准，由于ESD模拟器放电枪设计结构不同，有些放电电压校准结果超出了指标要求。因此，需要研究放电电压的校准方法。本文针对不同种类的枪式ESD模拟器进行放电电压校准，研究并提出合理的校准方法。

1 相关标准对ESD模拟器的总要求和校准设备要求

ESD抗扰度试验标准IEC61000-4-2规定了ESD模拟器应满足的总要求[2]，如表1所示。

表1 ESD模拟器总要求

注：① 开路电压在ESD模拟器放电电极处测量； ② ESD模拟器能够产生至少20次/s的放电； ③ 测试电压较低时，不需要使用15kV的空气放电。

从表1中可以看出，ESD模拟器放电电压的校准是在开路状态下测量放电电极上的电压，按照标准中的标注，两种放电方式下的放电电压都要进行校准，但在该标准中没有给出校准仪器应满足的技术指标。在JJF 1397—2013“静电放电模拟器校准规范”中，规定ESD模拟器输出电压校准可在接触式或空气式放电模式下进行，校准用设备要求为高压表或具有类似功能和指标的单台仪器或多台仪器的组合[3]，技术指标要求为：量程：≥15kV；输入阻抗：≥1GΩ。

2 不同型号ESD模拟器放电电压的测试结果

根据JJF 1397—2013“静电放电模拟器校准规范”，采用满足要求的JDY-3A静电电位动态测试仪，对不同型号ESD模拟器的放电电压进行测试。

JDY-3A静电电位动态测试仪的技术指标为：

输入阻抗：≥1.0×1012Ω；

测量范围：0～±1.999kV(2kV档)；0～±19.99kV(20kV档)；

最大允许误差：±1.0%。

被校ESD模拟器为NSG435型、NS61000-2A型和ESS-200AX型ESD模拟器。三种型号ESD模拟器的放电网络全部为人体-金属模型，即充电电容为150pF、放电电阻为330Ω。放电电压按照IEC61000-4-2标准规定的四个放电等级进行，放电电压测试结果见表2～表4。

表2 NSG435型ESD模拟器测试数据

表3 NS61000-2A ESD模拟器测试数据

表4 ESS-200AX ESD模拟器测试数据

从表2可以看出，当采用空气式放电方式时NSG435型ESD模拟器放电电极上的测试值与该模拟器的显示值满足相关标准规定的±5%的误差，而采用接触式放电方式时，放电电极上的电压与NSG435型ESD模拟器的显示值相差甚远，因此，NSG435型ESD模拟器放电电压的校准不能采用接触式放电来进行。

从表3和表4可以看出，NS61000-2A型ESD模拟器和ESS-200AX型ESD模拟器不管采用哪种放电方式，其测试值与被校模拟器上的显示值相差较多，不能满足IEC61000-4-2标准的要求。

3 ESD模拟器放电电压测试结果不一致的原因分析

在静电放电抗扰度测试的相关标准中，只给出了ESD模拟器的简要框图，如图1所示，并没有给出模拟器的构造详图。其中，电容Cs+Cd为150pF，Cs为放电网络的充电电容，Cd为分布电容，放电电阻Rd为330Ω。

图1 ESD模拟器的原理框图

单从图1来分析ESD模拟器放电电压的校准，不能说明空气式放电电压校准与接触式放电压校准的不同，需要从ESD模拟器的实际结构去分析。

目前，一般的ESD模拟器大多是利用集总参数电路来实现其功能的。放电方式分为空气式放电和接触式放电。空气式放电是按下控制开关使模拟器放电电极带上高压，然后使放电枪接近被测设备，当放电电极与被测设备间达到放电条件时，发生放电；而接触式放电是放电电极与被测设备的测试点相接触，然后，按下放电开关通过放电枪内的继电器进行放电。由于两种放电方式的控制开关在电路中的位置不同，因此，按下控制开关时，放电电极上所带的电压不一定是充电电容上的开路电压，导致ESD电压校准时出现了上述问题。

此外，由于集总器件本身及其布置产生的寄生参数以及ESD模拟器的分布参数等使得ESD模拟器的等效电路变得复杂，ESD模拟器放电枪的等效电路可用图2来示意。其中，Cs+Cd和Rd仍代表放电模拟器的放电网络，C2和C3代表放电枪对放电物体形成的分布电容和对地形成的分布电容，Ld为放电电阻的分布电感，L1为连接部位的电感，L2为放电回路电缆的分布电感，因此，实际ESD模拟器的等效电路比简单的原理电路复杂的多。国内有些研究人员对ESD模拟器放电时的杂散参数和分布参数进行了模拟仿真，并确定了ESD模拟器等效电路中的一些分布电容和分布电感参数值[4]。

图2 ESD模拟器放电枪等效电路

由于不同厂家生产的ESD模拟器结构不同，使得其内部的分布参数值也不同，也影响了开路状态下放电电极上的电压值。因此，如何判断开路状态下放电电极放电电压值的大小，成为ESD模拟器放电电压校准的难题。

4 ESD模拟器放电电压校准方法研究

根据ESD模拟器的不同结构，其静电放电电压的校准可以分成以下两种情况：

4.1 采用空气式放电方式进行校准

对于像NSG435型ESD模拟器，可以采用空气式放电方式对其ESD电压进行校准。虽然该种ESD模拟器在接触式放电方式下校准的放电电压值不能满足IEC61000-4-2标准的要求，但如果空气式放电方式下其静电放电电压准确，足以说明ESD模拟器的放电网络满足标准要求。

4.2 采用校准ESD模拟器的高压源、充电电容和放电电阻的方法进行校准

对于像NS61000-2A型ESD模拟器和ESS-200AX型ESD模拟器，无法从放电电极端进行校准，但为了实现静电放电电压的校准，必须采用其它的方法来解决。

从计量的角度来分析，如果不能采用直接测量法，那么可以考虑采用间接测量法。由于放电电极上的开路电压反应的是充电电容上的电压，所以，如果能够保证给电容充电的高压源和充电电容的性能，那么就能保证充电电容放电电压的准确性。此外，考虑到标准对放电网络整体的要求，所以，增加了放电电阻的校准，根据这些分析，拟采用校准ESD模拟器高压源、充电电容和放电电阻的方法实现ESD模拟器放电电压的校准。

针对ESS-200AX型ESD模拟器高压源、充电电容(150pF)和放电电阻(330Ω)进行了校准试验，数据见表5和表6。

从校准数据来看，ESS-200AX型ESD模拟器高压源的最大误差是-1.0%、充电电容的误差为7.4%、放电电阻的误差为-3.7%，GB/T17626.2标准要求充电电容和放电电阻的误差为±10%[5]，所以，ESS-200AX型ESD模拟器充电电容和放电电阻两个参数的误差满足标准的要求，而且其高压源的误差满足±5%，说明ESS-200AX型ESD模拟器放电网络提供的放电电压满足标准的要求。此外，对ESS-200AX型ESD模拟器进行了静电放电电流测试，其技术指标满足JJF1397-2013对接触式静电放电电流参数的要求。综合上述两项指标可判断被校ESS-200AX型ESD模拟器满足JJF 1397-2013。因此，对不能从放电电极端进行放电电压校准的ESD模拟器，可以采用间接测量法，即校准ESD模拟器的高压源、充电电容和放电电阻的方法对ESD模拟器进行校准。

表5 ESS-200AX ESD模拟器高压源校准值

表6 ESS-200AX充电电容和放电电阻校准值

5 结语

通过对不同型号的ESD模拟器放电电压进行校准测试，发现ESS-200AX型和NS61000-2A型ESD模拟器放电电压校准不能完全按照JJF 1397-2013标准要求进行。对于该类ESD模拟器，提出间接测量法，即通过校准ESD模拟器高压源、充电电容和放电电阻的方法实现ESD模拟器的校准。上述方法不确定度的来源有所增加，但只要选择合适的校准仪器，就可解决ESD模拟器放电电压校准的难题。该校准方法对ESD模拟器具有普遍适用性，从而保证了ESD抗扰度试验的准确性。

[1] 刘尚合，魏光辉，刘直承，等.静电理论与防护[M].北京：兵器工业出版社，1999

[2] IEC 61000-4-2：Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 4-2：Testing and measurement techniques-Electrostatic discharge immunity test [S]，2008

[3] JJF 1397—2013静电放电模拟器校准规范[S]，2013

[4] 刘素令，段平光，李霞，等.静电放电模拟器电路建模分析[J].电波科学学报，2009，42(6)

[5] GB/T 17626.2 电磁兼容·试验和测量技术 静电放电抗扰度试验[S]，2006

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.17