静电放电发生器校准负载特性研究_刘巨强.pdf

ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY静电放电发生器校准负载特性研究刘巨强，潘少祠（广东省科学院电子电器研究所，广东 广州510400）摘要：静电在我们日常生活中随处可见，静电放电对电子设备的安全运行有重要影响，一般利用静电放电信号发生器模拟放电来评价静电放电对电子设备的影响。根据国家标准GB/T 17626.2的要求，静电放电发生器需要定期进行校准，以保证测试的可靠、可信。因此，对静电放电发生器的校准和校准中有重要影响的因素进行了探讨，提出了一种模型进行分析，通过分析得出校准中制造放电靶时应考虑的因素，并总结了校准中应该注意的事项。关键词：电磁兼容；静电放电发生器；核准；负载特性；模型分析中国分类号：O 441文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）02-0078-04doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.02.017Research on Calibration Load Characteristics of ElectrostaticDischarge GeneratorLIU Juqiang，PAN Shaoci（Institute of Electronic Products and Electrical Appliances，Guangdong Academy of Sciences，Guangzhou 510400，China）Abstract：Electrostatic electricity can be seen everywhere in our daily life，and electrostatic discharge has an impor-tant impact on the safe operation of electronic equipment.Generally，the electrostatic discharge signal generator isused to simulate discharge to evaluate the influence of electrostatic discharge on electronic equipment.According tothe requirements of the national standard of GB/T 17626.2，the electrostatic discharge generator should be calibratedregularly to ensure the reliability and credibility of the test.Therefore，the calibration and the important influence factorsduring the calibration of electrostatic discharge generator are discussed.A model is proposed for analysis.Through theanalysis，the factors that should be considered in making discharge targets in calibration are obtained，and the con-siderations in calibration are summarized.Keywords：electromagnetic compatibility；electrostatic discharge generator；calibration；load characteristics；modelanalysis收稿日期：2022-10-22作者简介：刘巨强（1982），男，辽宁卡城人，广东省科学院电子电器研究所工程师，从事测量技术方面的研究工作。0引言电子电器设备在投入市场使用前，一般都需要经过CNAS认可实验室检测及通过相关认证机构认证。在电子电器设备可靠性和电磁兼容（EMC）测试中静电放电（ESD）抗扰度测试是一项十分重要的测试，因为我们日常生活中到处都会产生静电，静电会通过人体和附近的金属部件释放电荷，产生放电现象，放电产生的电场会对周围的电子设备产生影响，轻则影响电子设备正常运行，严重的可能会造成电子电器设备失效甚至损坏。关于静电放电发生器的校准特性研究主要从原理和放电模型两个方面开展。782023.02ELECTRONICS QUALITYb模型2图3放电模型仿真原理图1原理1.1 静电放电静电放电是一种电荷转移现象，不同物体间会产生不同静电电位，当两个或多个物体靠近或直接接触就会发生电荷转移。现实生活中，特别是在干燥的气候中，物体移动摩擦都会产生静电，比如人体带电，由于天气干燥电荷不容易释放会产生，而且人体与大地的容值低，人体带少量静电荷就可以产生较高静电势1-2。又如冬天我们触摸门把手产生触电的感觉，其实就是静电放电。实验室中静电放电模拟器又叫静电放电发射器，其原理如图1所示。通过直流高压电源对电容充电，然后经Rd通过放电开关实现放电，模拟静电放电过程3-4。1.2 静电放电发生器校准静电放电发生器在使用一段时间后，需要进行校准，以保障放电波形正确满足标准要求。其实静电放电发生器的校准，主要是确认充电电阻Rc、储能电容和放电电阻Rd，当然充电和放电开关在校准中是可以得到验证的4。如图2所示为静电放电理想波形，其主要用于校验静电放电发生器的放电波形。静电放电发生器校准时，通过测量放电波形与理想波形相比较，如果测试波形参数值满足标准要求，都在要求范围之内，即静电放电发生器可以满足标准试验要求，可以正常开展试验工作；反之则需要分析原因，如果是静电放电发生器的问题则需要进行设备检修，如果不确定是发生器的问题，那就需要进一步分析是否是校准的标准件有问题，在静电放电发生器校准模型中分析。首先，列出理想波形的数学模型4：I（t）=I1K1（t1）n1+（t1）nexp（It2）+I2k2（t1）n1+（t1）nexp（It4）其中：k1=exp（-12（n21）1/n）k2=exp（-34（n43）1/n）后续根据模型进行参数调整，研究分析其中的影响因素。2静电放电发生器校准模型2.1 放电模型放电模型仿真原理图如图3所示。模型1的放电负载为理想线性负载RL，模型2的放电负载为理想线性负载RL并联寄生电容4。图1静电放电发生器简图直流高压电源放电开关RCC8+CdRd充电开关放电头放电回路连接点图2 4 kV理想的接触静电放电电流波形I/A15105Ip90%Ip10%Ip10%IpI30I60t/ns102030405060708090100a模型1RcRdCdRL4 000RcRdCdRLVDC计量与测试技术Measurement and Testing Technology79ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY通过设定RL参数及寄生电容参数，在寄生电容值小于Cd/10时，对放电结果的影响是可以忽略的，模型1和模型2的仿真结果在波形全时域下看是完全重合的，如图4所示。通过将理想线性负载的仿真结果与静电放电发生器校准的理想波形进行比较分析，得到的结果如图5所示。从图5中可以看出，两者的区别在于虚线部分，这是由于仿真结果中的仿真负载为理想线性负载，现实测试中放电负载为非线性，因此看到放电曲线的虚线段变为弯曲放电线段，有一个快速放电过程（过冲）再充电到放电，根据特性分析放电回路的负载中应该是有电感因素和电容因素的存在，结合电感和电容模型，实际放电负载应该是LR和CR模型的组合。2.2 模型分析模型分析可以从以下两个方面入手。一是放电发生器的校准配置模型。分析图3a和图3b发现，静电放电波形根据负载不同会有所变化。因此校准中对放电负载的要求就特别精准，才能明确判断静电放电发生器的放电波形是否符合要求4，6。静电放电发生器的校准原理框图如图6所示。其中，放电靶（同轴靶）、接地点地线和法拉第笼构成了整个静电放电发生器的放电回路，即放电负载、校准标准负载。其中，放电靶的结构简图如7所示。二是放电负载模型。参照图7所示结构和参数，结合图6建立同轴靶的负载模型如图8所示，主要有电阻R、电容C、LR和CR网络组成。图4线性负载仿真结果图50%10%30 ns图5线性负载仿真结果与标准校中想波形比较I/A15105Ip90%Ip10%Ip10%IpI30I60t/ns102030405060708090100图6静电放电发生器校准的典型配置接地母线接至中点0.6 m0.6 m0.6 m0.6 m静电放电发生器垂直线垂直校准放电靶0.5 m接地点示波器和连接线的屏蔽外壳电源滤波器电源软线图7同轴靶的机械结构印刷电路板仅给出了90内的电阻过孔放大的电阻区域3.3的孔电阻尺寸0805；电阻值51；位置能被接触的，完全对称的（使用模板）；材质0.5 mm FR-4，镀金；过孔电阻每边的两个孔环连接到印刷电路板的外缘孔，大约需要25个电阻101270图8同轴靶的等效模型图802023.02ELECTRONICS QUALITY区块链与隐私计算算力基础设施启用!信息与动态据报道，北京微芯区块链与边缘计算研究院透露道：区块链与隐私计算算力集群Hive“蜂巢”日前在京启用。据介绍，作为北京市重大科技创新及高精尖产业项目，“蜂巢”依托“长安链”软硬件技术体系，是具备先进算力、服务国家重大应用场景的区块链与隐私计算算力基础设施。它的主体位于中关村科学城北区的核心地带，整个集群拥有1 000台“长安链”高性能专用算力服务器。发挥“长安链”高并发、低延时、大规模节点组网等性能优势，在架构灵活性、共识机制和数据存储等方面取得全方位技术突破，每秒可处理2.4亿笔智能合约交易、执行百亿条数据隐私计算。“蜂巢”的框架体系、技术架构、核心组件及隐私计算专用编程语言全部为自主研发，其超过100万行核心软件代码对业界开源开放，并保持活跃迭代更新，至今已累计发布近20个版本。目前，“蜂巢”的算力性能已经在全国首个超大城市区块链基础设施北京市目录链的升级中率先发挥作用，实现治理体系高效协同。（摘自人民日报）将图3a的RL负载模型变换为图8模型，得到仿真结果如图9所示。从图9中可以看到虽然放电曲线与标准中理想波形有点差异，但是波形变化的趋势趋于理想波形，通过调整LR和CR网络，根据仿真曲线变化得出分析结果，影响1、2、3和4的主要参数为LR和CR网络中的L、C、R参数值，由此可以为放电靶的制作及后期测试验证提供分析模型和验证方向。3结束语从静电放电的原理、静电放电发生器原理和静电放电发生器的校准原理3个方面进行研究，分析静电放电发生器的校准特性，然后通过自建负载模型分析静电放电发生器校准特性，根据负载模型，仿真静电放电的相关波形和发生器校准的放电波形，从而定性分析静电放电发生器的放电回路负载对静电放电发生器的校准波形的影响，并从模型中提取了相关参数L、C、R进行定性的分析，为放电靶的制作及后期测试验证提供分析方向，在静电放电发射器校准出现问题时能够快速地分析情况并找出问题。参考文献：1郭德华，高志良，何积浩，等.静电放电测试模型标准现状的分析研究J.中国标准化，2021（24）：43-53.2王香霁.电子设备静电放电的仿真与测试研究D.南京：东南大学，2021.3王挺.电子设备静电放电危害及防护技术分析J.无线互联科技，2022，19（9）：131-133.4全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容试验和测量技术：GB/T 17626.22018 S.北京：中国标准出版社，2018.5王香霁，杨兰兰，杨昌，等.空气静电放电的场路协同仿真研究J.电子器件，2021，44（6）：1392-1398.6尹聪.静电放电模拟器测量结果不确定度评定与分析报告J.电子质量，2021（11）：133-136.图9调整负载模型后仿真结果计量与测试技术Measurement and Testing Technology81