静电放电对试验任务测试设备的影响及防护

丁 磊 徐慧娟 潘 涛

（1.中国人民解放军63601部队，酒泉 735000；2.中国人民解放军63620部队，兰州 732750）

1 引 言

随着光电技术的快速发展，光耦器件广泛应用于信号隔离、开关电路和驱动电路等电路集成度高的试验任务测试设备中。测试设备的电路集成度越高，体积越小，从而导致导线间距越小，绝缘膜越薄，致使耐击穿电压越低。理论分析表明，试验任务测试中存在静电释放（ESD）现象，且产生足够高的电压。例如，对测试设备进行插拔电缆、人体接触设备的I/O端口、移动设备、静电场及电磁干扰等所产生的ESD现象远远超过其击穿电压阈值，从而造成光耦器件击穿或失效。

在某试验任务发射模飞流程测试中，远程控制台点火按钮按下后，靶场地面T0台未收到远程控制台发出的T0时统信号，导致发射推迟。远程控制台内部点火信号示意图如图1所示。

图1 远程控制台内部点火信号示意图

试验结果分析表明，ESD现象导致控制台T0驱动支路光耦输出发生可逆性故障，造成远程控制台与靶场T0的时统信号不通。在试验任务测试中，如果采取的防静电放电的安全防护措施不当，极可能出现因静电放电或静电场作用，导致电子设备失灵或产生误动作。因此，试验任务中必须高度重视静电放电对测试设备的危害并采取合理的防护措施，以防止测试设备故障对试验流程所产生的影响。

2 故障分析

2.1 光耦器件工作原理

远程控制台T0驱动支路光耦器件采用的是ASSR-1611型，当按下点火按钮后，远程控制台内部线性稳压器输出3.3V控制电压控制反向器内部接通，现场可编程门阵列（FPGA）器件输出高电压控制反向器正向导通。电路中光耦器件引脚1、引脚2接通，同步点火指令输出为500ms开关量信号，控制光耦器件输入级红外发光二极管工作，并光耦合到高输出电压检测电路，使检测电路闭合工作，此时整个通路闭合500ms。检测电路由1个高速光伏二极管阵列和驱动电路组成，用于控制2个独立的高电压场效应管（MOS）。控制台T0输入5V电压，由光耦器件引脚4、引脚6进入，分别通过2个MOS管至光耦器件引脚5输出5V电压，通路闭合的同时控制台T0检测到基准电压降为0V，此时远程控制台发出500ms的T0信号至控制台T0。其中，两路MOS管在电路中起到双冗余作用。ASSR-1611型光耦在电路中的工作原理图如图2所示。

图2 ASSR-1611型光耦在电路中的工作原理图

2.2 失效机理

静电是一种处于静止状态的电荷或不流动的电荷，当电荷聚集在某个物体时就形成了静电。当带静电的物体接触到零电位物体（接地物体）或与其有电位差的物体时都会发生电荷转移，该过程可能会损伤元器件[1]，其损伤程度与静电放电模式有关。

在靶场测试过程中，静电放电对光耦器件造成损伤的主要有3种模式：人体放电模式、机器放电模式和充放电模式。

2.2.1 人体放电模式

因靶场天气干燥，湿度不足20%，人体极易通过衣物摩擦等原因携带静电，人体静电可能经由时统线传递至光耦引脚而进入光耦次级的MOS管内。一般情况下，静电场感应出的电位差不会导致器件失效，但器件管脚可能出现短路，引起与管脚相连的导电部分电场发生畸变，导致MOS器件的栅氧化物被击穿[2]。当引起击穿的能量不足以使被击穿的电极材料熔化时，静电放电结束后，需要经过一个上电周期来使器件恢复至正常工作模式。人体静电放电等效电路图如图3所示。

图3 人体静电放电等效电路图

2.2.2 机器放电模式

大多数机器都是用金属制造的，机器放电模型的等效电阻极小，电容相对较大，故其放电过程更短，在几纳秒到几十纳秒之间会产生数安培的瞬时放电电流。在金属机器与远程控制台相互接触、分离的瞬间，远程控制台可能会有瞬态放大电流能量被集中注入，导致其内部集成电路的耦合器件有所损坏，机器放电模式相比于人体放电模式来说对光耦器件的破坏力会更大。放电机器静电放电等效电路图如图4所示。

图4 放电机器静电放电等效电路图

2.2.3 充放电模式

远程控制台在装配、运输、储存及靶场测试过程中，由于壳体与其他材料摩擦使得其表面产生静电或电荷，从而使远程控制台内部集成电路积聚静电或电荷。当远程控制台连接地线时，光耦器件引脚间接接地，静电放电产生的微秒宽的窄脉冲在耦合器件的响应时间之内，即使感应产生较低的电压，耦合器件也可能被损坏。将携带静电的电缆插到远程控制台插座上，内部集成电路光耦器件受到ESD现象冲击，此时放电回路的电阻几乎为零，使得几十安培的瞬间放电尖峰电流流入光耦器件引脚，导致产生的静电放电电磁脉冲能量损坏集成电路中的光耦器件。充放电模式静电放电等效电路图如图5所示。

图5 充放电模式静电放电等效电路图

2.3 故障复现及可逆现象

为了验证光耦器件静电敏感性，试验人员使用静电放电发生器模拟操作人员或物体在接触设备时产生的放电，以检测光耦芯片1号、2号的抗静电电平抗干扰能力。试验参考靶场环境湿度参数，搭建光耦测试环境，将光耦引脚1串联250Ω电阻后引出，将光耦引脚6与引脚4跨接后引出，同时引出光耦引脚2与引脚5。静电测试光耦引脚接线图如图6所示。

图6 静电测试光耦引脚接线图

先将直流电源（3.3V）接入2个光耦芯片的初级引脚1与引脚2间，次级导通，引脚5接地；再使用静电放电发生器对光耦芯片进行测试。静电放电测试过程如表1所示。

表1 静电放电测试过程

对2个光耦芯片静置约16h后进行性能测试：光耦1号次级开路，初级导通时次级不导通，未恢复；光耦2号次级短路，未恢复。试验结果表明，2kV多次放电光耦芯片不会损坏，4kV少次放电光耦芯片产生不可逆损坏，2~4kV间存在可逆损坏的电压区间。理论分析证明，静电放电失效的原因取决于光耦器件承受外界瞬时放电应力及集成电路对地的绝缘程度。只有确定静电放电敏感区间，才能制定合理的消除静电措施，选择具体的静电放电控制流程或电路设计方案。

3 消除静电危害

3.1 消除静电危害的基本原则

任何静电危害的发生，都必须同时具备3个基本要素：静电源、耦合路径、敏感器件。只有这3个要素同时满足时，才能形成静电危害。因此，只要控制3个要素中的任何一个，就能够完全消除静电危害。消除静电危害的基本原则有：（1）控制静电电荷聚积，防止危险静电源的形成；（2）切断静电源和敏感器件之间的耦合路径，减小试验场所的潜藏危害；（3）加固或更换敏感器件，降低静电对测试设备的损害。

3.2 消除静电危害的措施

根据静电安全防护原则，结合靶场技术阵地测试厂房和发射阵地测试现场的具体情况，按照有关标准的规定，保证靶场测试现场具备防静电的设施及相关措施安排。具体消除静电危害的措施主要有控制静电源、切断耦合路径及加固或更换耦合器件等方式。

3.2.1控制静电源

3.2.1.1 静电接地措施

（1）测试设备良好接地。靶场技术阵地测试厂房和测试大厅墙壁上，通常设置嵌入式固定防静电接地端，分为测试接地、产品接地和设备接地。设备接地是连接出来供操作人员释放身体静电和连接防静电手环使用的专用地。测试期间为了保证测试设备性能正常，选择连接设备接地端，以便于因各种原因在测试设备上形成的电荷可以直接释放到地，从而保证测试设备接地良好。在发射阵地测试现场，常见防静电接地桩有移动式和固定式两种，根据实际使用环境决定采用相应形式。

（2）按规定穿着防静电工作鞋、袜和工作服，戴防静电手环。具有导电性的工作鞋、袜、衣服和防静电手环，可以随时随地释放掉人体上附着的静电，防止丝绸或合成纤维衣料的衣服摩擦形成的静电荷，防止静电在衣服或人体上积累。防静电工作鞋、袜和工作服，戴防静电手环必须与皮肤紧密接触，以保证其上附着的电荷可以通过人体向大地释放。防静电手环的选择，应该考虑手环的舒适性、耐用性、接地线长度和接地线延展性等方面。在使用时，要按正确方法佩戴手环，手环插头应该与手环接地点直接相连，不可与测试设备串联接地，应确保手环接地线可靠接地。在任何情况下都不允许佩戴不接地的自感应放电式手环。

（3）设置人体静电泄放装置。人体静电泄放装置具备低阻值接地电阻通路。在工作区入口处设置人体泄放静电的接地棒，操作人员进入工作区前、后通过触摸接地棒释放静电，能够迅速将人体静电导向大地，防止人体带静电进出工作区，减少因为静电而导致的损失。

3.2.1.2泄漏导走措施

（1）调节环境湿度。靶场的冬季和春季比较干燥，由静电所产生故障的概率较大。静电的积累和消散主要取决于周围空气的湿度，若湿度较低，则静电电位高；若湿度较高，则静电电位低。这主要是因为湿度较高时，绝缘材料表面吸附了水分子而降低了表面电阻率，增加静电沿绝缘体表面的泄漏，带静电区的静电荷则能较容易地进行中和或导入大地。所以在靶场技术阵地测试厂房和测试大厅应考虑保持一定的湿度。从消除静电危害的角度考虑，保持相对湿度在70%以上较为适宜。

（2）加抗静电添加剂。抗静电添加剂是一种减少静电杂质的化学药剂，具有很好的导电性及较强的吸湿性。在容易产生静电的高绝缘材料上，加入微量抗静电剂之后，能增加材料的吸湿性或离子性，降低材料的体电阻或表面电阻，加速静电释放，消除静电危害。

（3）选用导电材料、绝缘材料制作元器件或测试设备。测试设备可采用绝缘材料制成容器内层，衬以导电层或金属网络，并予以接地；对于易产生静电的元器件，尽可能采用导电材料代替普通橡胶，加速静电电荷的释放。

3.2.2切断耦合路径

（1）安全操作。在测试现场，一般不得穿化纤工作服，不得携带/穿戴与工作无关的金属物品，如手表、硬币、钥匙、戒指等；操作人员不能用手或身体各部位直接接触测试设备的外露引线；插拔电缆或连接测试设备前，先进行释放静电操作；明确测试设备上电顺序，设备连接好后再上电。

（2）减少摩擦。在操作测试设备时，应轻拿轻放，切忌撞击和摩擦。在测试设备上操作，如测试设备出箱或装箱、连接高/低频电缆和包盖各种罩布等均应尽量减少摩擦，最大限度地避免摩擦起电效应。

（3）测试设备接地、屏蔽。测试设备展开后，用地线串联或并联接在每台设备外壳上，保证大量的电荷能通过地线释放到地。接地良好的测试设备外壳对内部起到屏蔽作用，对测试设备内敏感的器件均应该采取合适的屏蔽措施。

3.2.3加固或更换耦合器件

采用两路电磁继电器代替一路光耦继电器设计方案，利用电磁继电器的电磁感应原理，通过电磁铁的力量来控制电路通断。在远程控制台上增加时统信号指示灯，在时统线缆连接T0设备的散线端上增加接线端子，并从接线端子处引出时统信号监控线，监控线连接三用表，用于时统信号的实时监测。具体设计方案是将远程控制台T0驱动电路支路内部FPGA通过通用输入/输出口（GPIO）输出的1路脉冲信号分成3路，驱动3个三级管，当使能高电平触发后，2路继电器和1路LED同时导通500ms，实现远程控制台发出500ms的T0信号至控制台T0。更改设计方案示意图如图7所示。

综上所述，按照消除静电危害的基本原则，分析靶场存在物的不安全状态和人的不安全行为，可以对静电危害形成的考虑更加全面、更加严谨，能够准确定位静电危害形成原因，并采取有效的管理措施和技术手段，防止静电危害的发生。

图7 更改设计方案示意图

4 结束语

通过对某试验任务中远程控制台T0驱动支路光耦器件失效故障和机理进行分析，确定光耦器件是在试验测试过程中引入静电和静电放电所致。航天靶场各型号试验任务都包含大量集成电路设备、计算机等ESD敏感设备，加上常年环境湿度偏低，更加诱发了静电放电的可能。为了确保试验任务顺利进行，需要有效地消除静电危害，为此，本文针对性地提出了静电防护措施和改进方案，为靶场静电防护工作提供了有益参考。