美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)新靜電放電標(biāo)準(zhǔn)

一種合理的靜電放電（ESD）新標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已被提出，這種標(biāo)準(zhǔn)避免了符合現(xiàn)在正廣泛應(yīng)用的IEC1000-4-2靜電放電標(biāo)準(zhǔn)的不同的靜電放電模擬器間測(cè)量結(jié)果的不一致性?，F(xiàn)在的靜電放電標(biāo)準(zhǔn)存在一些缺陷，它們是對(duì)作為預(yù)充電電壓函數(shù)的峰值電流僅能進(jìn)行有限控制，校準(zhǔn)目標(biāo)的帶寬不恰當(dāng)，沒(méi)有對(duì)同類(lèi)試驗(yàn)放電電流及其產(chǎn)生的E場(chǎng)，H場(chǎng)差異作出說(shuō)明。針對(duì)于不同的用戶產(chǎn)品，信息技術(shù)設(shè)備（ITE）和電訊設(shè)備，給出了專門(mén)的ESD測(cè)量方法和限值。
9 h: f+ h._  L　　ANSI C63ESD WG正在開(kāi)發(fā)一種新的系統(tǒng)級(jí)的ESD標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)替代ANSIC63.16ESD測(cè)量方法導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)[1]。這種新標(biāo)準(zhǔn)的主要目的之一是克服包括IEC 1000-4-2[2]在內(nèi)的已有的ESD標(biāo)準(zhǔn)的缺陷。
7 b8 R2 l% f  _) i- p. [$}　　現(xiàn)在的ESD標(biāo)準(zhǔn)是建立在測(cè)量技術(shù)中的技巧和ESD現(xiàn)象在特定時(shí)期的工業(yè)理解之上的，人們?yōu)樘岣?span id="acy6y62" class="ttag">電子設(shè)備對(duì)于ESD的抗干擾性已做了很多工作。IEC和ANSI自開(kāi)發(fā)以來(lái)能很好地適用于許多類(lèi)產(chǎn)品，他們也證實(shí)了的確需要ESD標(biāo)準(zhǔn)。8 i" n;|- i, S/ s- V9 h$ }* S7 H& o
然而，我們?yōu)槭裁催€需要一種新的系統(tǒng)級(jí)的靜電放電標(biāo)準(zhǔn)呢？幾種主要的原因如下：+ e( `" N3 u8 w! c, y
　　1、 現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1000-4-2，對(duì)一些產(chǎn)品已經(jīng)形成了不確定的抗干擾結(jié)果。$ m2 E'y7 K% f+ e0 A
　　2、 在關(guān)于系統(tǒng)級(jí)的ESD**代ESD**代IEC標(biāo)準(zhǔn)確立以來(lái)的幾年中，電子產(chǎn)品發(fā)生了很大的變化。時(shí)鐘的速度已經(jīng)增加了十倍；集成電路在尺寸上戲劇般得變小而在集成度和復(fù)雜性上增加了許多；微處理器現(xiàn)在已處于十年前想都敢想的地位。所有這些導(dǎo)致了產(chǎn)品對(duì)ESD更加敏感，而且安裝在環(huán)境中的ESD敏感裝置應(yīng)具有不同ESD的特性。我們現(xiàn)在已有的產(chǎn)品在ESD某些方面非常敏感但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其未進(jìn)行規(guī)定，也沒(méi)有嚴(yán)格的控制。例如放電電流的振蕩或者瞬態(tài)電磁場(chǎng)。# g; q"S& Z. q) y1 n5 S
　　3、 隨著ESD敏感性產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，測(cè)量技術(shù)也在有了這些標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行了充分地發(fā)展，而且理論上的分析也使人們對(duì)ESD現(xiàn)象有了更深的理解。帶寬為5到10GHz的數(shù)字示波器特特很容易得到，而以前的帶寬為1GHz。這些儀器就使人們對(duì)ESD現(xiàn)象有了更深的了解：上升時(shí)間是多少，在*初的峰值后又發(fā)生了什么，當(dāng)前的振蕩頻率是多少，等等。
4 M& l, x/ {- P: e1 x( A2]一個(gè)新的靜電放電標(biāo)準(zhǔn)的合理性
* n8 l/ S9 f& k  V' n( p"h. d* k　　電子工業(yè)以快速的步伐前進(jìn)，ESD標(biāo)準(zhǔn)更需要發(fā)展而且得緊跟上工業(yè)的發(fā)展。我們所關(guān)心的大體包括以下目前ESD存在缺陷的區(qū)域。
7 {, ]+ ~0 P' I.|　　1、按照IEC1000-4-2標(biāo)準(zhǔn)做的不同的ESD模擬器測(cè)量結(jié)果是不相同的。Ken Hall[3]曾敘述了一個(gè)例子，在他的實(shí)驗(yàn)中他利用模擬器A通過(guò)了產(chǎn)品1而用模擬器B卻不能，同理，模擬器B能通過(guò)了產(chǎn)品2而A不能。顯然，這些產(chǎn)品對(duì)于沒(méi)有完全控制的模擬器特性有不同的響應(yīng)。
- O) v4 k* D: e( f: a% o1 N3H　　2、產(chǎn)品即使能通過(guò)實(shí)驗(yàn)室中ESD測(cè)試，但是在正常的操作環(huán)境中也不可避免地要失效。這可能是由眾多的原因中的某些所引起的，這些原因包括*可能有把足夠的ESD事件施加于產(chǎn)品，從而影響結(jié)果也沒(méi)有產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾妷簛?lái)模擬實(shí)際現(xiàn)象中ESD沖擊。5 x8 `9Q5 t6 R; Y( h0 y4 G3 V3 n
　　3、 在不同的時(shí)間或地點(diǎn)或由不同的測(cè)量人員所進(jìn)行的測(cè)量，即使表面上的條相同，其測(cè)量結(jié)果也不會(huì)相同。
% a( m1 x9 [0n4、 隨著基于微處理器的產(chǎn)品猛增，就急需一種針對(duì)于新型產(chǎn)品的新ESD測(cè)量方法，測(cè)量限值和性能準(zhǔn)則。便攜式電子設(shè)備（如掌上電腦，尋呼機(jī)，便攜式電話，個(gè)人管理器）需要一致可靠的測(cè)量方法。今天，消費(fèi)者需要評(píng)估他們的電子設(shè)備（電視，錄像機(jī)，CD機(jī)，電子游戲機(jī)）和白色物品（洗 衣機(jī)，甩干機(jī)，洗碗機(jī)）對(duì)ESD的抗干擾能力，但現(xiàn)在卻不存在這樣的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。家具ESD，沒(méi)有接觸金屬的人體ESD，汽車(chē)產(chǎn)品ESD地，空間ESD，**設(shè)備ESD，制造業(yè)中的裝卸和封裝ESD和醫(yī)學(xué)設(shè)備ESD，這些雖然都很重要，但是，為了使現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)更易執(zhí)行，ANSI卻不考慮這些。
% q4 y+ a; \' \+ J. E( m5 C# v0{　　 現(xiàn)在，讓我們來(lái)分析一下需要找出的ESD標(biāo)準(zhǔn)中的不足并分析新標(biāo)準(zhǔn)又是怎樣消除它們的。- s% h:D8 c. b* u, i" f
現(xiàn)有的ESD標(biāo)準(zhǔn)的缺陷%c& ]% c& ?/ Y7 w. N3 O' p3 V
　　 當(dāng)人持有金屬物體站在地面上時(shí)，人體的小信號(hào)阻抗從1MHz下的3K歐姆到1GHz以上的50歐姆呈現(xiàn)非線性變化。為了寫(xiě)人體ESD良好的適應(yīng)，這種阻抗可用分離元件和傳輸來(lái)等效。這種等效模型對(duì)于理解ESD現(xiàn)象和模擬器的設(shè)計(jì)是很有幫助的，然而，新ANSI標(biāo)準(zhǔn)卻沒(méi)有應(yīng)用這種ESD等效模型。這是因?yàn)榧词箤?duì)于相同的模擬器，其等效電路不管是簡(jiǎn)單型的還是復(fù)雜型的測(cè)量結(jié)果也是復(fù)雜多變的。新ANSI ESD標(biāo)準(zhǔn)給出了模擬器的要求卻沒(méi)有給出其設(shè)計(jì)。3 N/ ]-e, _3 N# D5 H. P% f
　　ESD峰值電流當(dāng)一小片金屬與人手接觸產(chǎn)生弧光時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生人體ESD*大值。這種放電電流的峰值幅度是金屬物體尺寸函數(shù)。當(dāng)手接觸一塊小金屬時(shí)，所產(chǎn)生的放電電流的峰值是接觸大金屬物體的20％。不過(guò)，為保證能進(jìn)行重復(fù)測(cè)量和原標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定是一致的ANSI模擬器放電末端。 - H3 m9C) ?0 a6 Q6 D: u9 s0 t
　　小阻抗物體中的峰值電流（A）是模擬器預(yù)加電壓（KV）的函數(shù)。模擬器電壓為5KV時(shí)在空氣放電中，新ANSI標(biāo)準(zhǔn)中的A/KV就等于4。然而，在實(shí)際的人體放電中，A/KV的比值并不是對(duì)所有的電壓恒定。例如，在12KV時(shí)，A/KV的值為12，這是現(xiàn)在的ESD標(biāo)準(zhǔn)的2倍?？諝夥烹娔M器中存在A/KV的一些非線性關(guān)系，而在接觸式ESD模擬器當(dāng)中，A/KV的比值對(duì)于所有的預(yù)加電壓都是恒定不變的。
' d, c9 w, z- c, \) N2 J0|　　接觸式放電模擬器也存在恒定的電流上升時(shí)間，它與實(shí)際人體放電中的所帶電壓沒(méi)有任何關(guān)系。對(duì)于合適的EUT測(cè)量，當(dāng)預(yù)加電壓為6KV時(shí)，接觸式模擬器的A/KV值通常已被選定了。, O! _$p9 g& w$ N8 e2 [/ B# I6 K
ESD校準(zhǔn)目標(biāo)8 O* B"`: b/ j7 K1 R) {# [, G( z* s
　　ESD模擬器中的輸出電流的指標(biāo)依賴于校準(zhǔn)目標(biāo)和測(cè)量設(shè)備（特別是示波器）脈沖響應(yīng)。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在ESD標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)頻率為2GHz以上或上升時(shí)間低于十億分之一秒時(shí)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的目標(biāo)不能正確地測(cè)量出輸出電流。為了消除這些問(wèn)題，在5GHz以上具有頻率平坦響應(yīng)的新目標(biāo)已在新ANDI ESD標(biāo)準(zhǔn)做了詳細(xì)的說(shuō)明[5].
. }. L$ j3 E& O3aESD振蕩電流% Z5~& g* V% f' [+ K* t
　　在具有確定的上升時(shí)間、接觸式模擬器且峰值電流對(duì)于預(yù)加電壓呈線性的情況下，振蕩電流的上升時(shí)間應(yīng)為4A/ns-kV。
: u* j" G* p" w!o　　對(duì)于兩個(gè)按照IEC1000-4-2的要求所做的商業(yè)模擬器而言，其峰值電流是相同的。振蕩電流（di/dt）在波形前沿中的差異是150％，在波形后沿中的差異是300％。有些EUT（實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備）對(duì)振蕩電流是很敏感的。這些差異就命名利用哪個(gè)模擬器成為EUT成功/失敗的重要前提[7]。Hyatt曾做過(guò)研究[8]，不管預(yù)加電壓和用哪種模擬器，只要模擬器的di/dt超出了EUT靈敏度的門(mén)限，每次實(shí)驗(yàn)都失敗了；反之，di/dt在門(mén)限以下，實(shí)驗(yàn)就會(huì)成功。
" u8 l$ ]4 G1 }* B1D  T　　現(xiàn)在的ESD標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)振蕩電流的限制作詳細(xì)的規(guī)定。為了在不同的模擬器間建立更好的相關(guān)性，新ANSIESD標(biāo)準(zhǔn)定義了振蕩電流的容限。1 \9 w3a4 Q: h: K: o

, c4 S" o+ K2 C4 M/ j+u瞬態(tài)電場(chǎng)和磁場(chǎng)
" a- ?0 U+ `( P' i
" Y& D$?  ^, V# n0 L3 m0 Z　　 對(duì)于瞬態(tài)磁場(chǎng)和持有ESD模擬器的人和EUT下的地線間的瞬態(tài)場(chǎng)而言，振蕩電流是起決定作用的。然而，用樣準(zhǔn)目標(biāo)得到的放電電流的波形規(guī)范卻不能完全確定瞬態(tài)場(chǎng)。像用于輻射測(cè)量的雙錐天線中的不平衡問(wèn)題，必須對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的模擬器來(lái)對(duì)瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行一些調(diào)節(jié)，軒為90度的旋轉(zhuǎn)模擬器會(huì)有150％的偏差?，F(xiàn)在正在研究這些**詳細(xì)的方法和容差。- z2 O' N+ g1 \* n  F% i" a

1 U2 W; P* i2 t( {  _(r  U　　對(duì)放電點(diǎn)到離放電點(diǎn)50cm間電場(chǎng)和磁場(chǎng)的衰減研究表明，這種衰減是隨距離呈線笥變化經(jīng)的。因?yàn)閳?chǎng)從1/r2到1/r3衰減。且距離超過(guò)50cm，但ANSI標(biāo)準(zhǔn)在間接放電時(shí)保持10cm測(cè)試距離。而在10cm處電場(chǎng)是預(yù)加電壓的兩倍，例如，預(yù)加電壓為8Kv，電場(chǎng)則為16Kv/m。所以，在ESD測(cè)量中，就存在非常高的電場(chǎng)。
5 i* d8 @0 I1N　　如果IEC1000-4-2方法用于模擬器垂直于HCP放電，完全符合IEC的模擬器而言，電場(chǎng)的變化為300％，磁場(chǎng)的變化為200％。IEC1000-4-2方法可以很清晰地呈現(xiàn)現(xiàn)出K.HALL所描述的問(wèn)題，而ANSI標(biāo)準(zhǔn)卻不會(huì)。如果想要得到豎式模擬器放電所產(chǎn)生的場(chǎng)的大小，即只有等鏟增大預(yù)加電壓。- S7 y3 j$ x! U$ O# r
對(duì)地線搭接線影響的控制
6 ], @9 w' r"K  A  [' L" `　　 在尖峰放電到EUT后，模擬器輸出電流會(huì)沿接地線返回。電場(chǎng)場(chǎng)值大小相對(duì)于連接線的長(zhǎng)度而言是不變的，場(chǎng)強(qiáng)距連接線為0.1米處衰減20dB。地線連接線的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨電流流入EUT輸入線與地線所形成環(huán)路的大小而改變，變化因子為2.當(dāng)測(cè)量?jī)x器與連執(zhí)著線所成的角由垂直變?yōu)樗綍r(shí)，磁場(chǎng)會(huì)衰減20dB。新ANSIESD標(biāo)準(zhǔn)在保持理想電流輸入波形的同時(shí)，又盡可能減小連接線上的電流。%M/ ?5 M4 m. k" t& j- P$ b
成功/失敗標(biāo)準(zhǔn), F/ d:x9 {: n  {
　　 人們已經(jīng)知道，安裝環(huán)境決定了ESD的頻率和嚴(yán)酷度。然而，現(xiàn)在的ESD標(biāo)準(zhǔn)（如IEC1000-4--2）沒(méi)有考慮到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的環(huán)境差異。新ANSI ESD標(biāo)準(zhǔn)定義了三種環(huán)境；：可控制的、標(biāo)準(zhǔn)的和過(guò)哉的環(huán)境。結(jié)于每種環(huán)境，新標(biāo)準(zhǔn)不考慮三種產(chǎn)品的測(cè)量限值和EUT影響，這三種產(chǎn)品是：ITE、消費(fèi)者產(chǎn)品和電信產(chǎn)品。
+ y& n8 ^: V( z  R; I, F,h2 X" Y統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償$ f% B!G! R+ O" ^& U
　　 許多熟悉EMC卻不熟悉現(xiàn)代電子設(shè)備中的ESD測(cè)量的人并不了解設(shè)備的敏感性對(duì)時(shí)間間隔有關(guān)系。那變是，如果ESD沒(méi)有同時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行，產(chǎn)品就有很強(qiáng)的抗干擾能力；反之，產(chǎn)品的抗干擾能力就很弱。因此，在產(chǎn)品處于非常弱的狀態(tài)下，50ns的持續(xù)時(shí)間內(nèi)形成的半隨機(jī)化的10個(gè)事件所形成的測(cè)量就有非常低的發(fā)生概率。為了測(cè)量這些時(shí)間相關(guān)性，EUT必須應(yīng)用所形成的測(cè)量就有非常低的發(fā)生概率。為了測(cè)量這些時(shí)間相關(guān)性，EUT必須應(yīng)用大量的ESD事件。在早期ESD測(cè)量中，因?yàn)橄到y(tǒng)的恢復(fù)是主要關(guān)心的問(wèn)題，所以每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上測(cè)量10次才可能有效。然而，現(xiàn)在這就不再成為主要問(wèn)題了。
4 U& ]2 \" P; _5e　　在以前的ANSIESD導(dǎo)則中闡述了根據(jù)實(shí)際ESD事件的次數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)決定ESD試驗(yàn)次數(shù)的方法。在新的ANSI ESD中進(jìn)一步優(yōu)化了此方法,使其更加實(shí)用。: T* v4e4 Y* O4 d3 S0 C* k+ K) t  w
需要進(jìn)一步研究的參數(shù)( P, D$ d5 o  z6 E0 z
　　 現(xiàn)正在對(duì)ESD的測(cè)量不確定度和場(chǎng)進(jìn)行研究，但是，我們?nèi)圆磺宄浣Y(jié)論是否會(huì)完全包含在新ANSI標(biāo)準(zhǔn)中。如果對(duì)此或其它有關(guān)內(nèi)容未能出有效的結(jié)論，那么ANSI標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)用現(xiàn)在的方法測(cè)量這些參數(shù)。* r, ]2M8 d, O; U4 Q
結(jié)論4 l7 `5P  k0 B% [8 T  f
　　 這種合理的ANSIESD新標(biāo)準(zhǔn)是由ANSIC63 ESD WG發(fā)展起來(lái)的。在現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)不能完全全適用的區(qū)域，如峰值電漢幅度，放電電流的振蕩，校準(zhǔn)方式，瞬態(tài)場(chǎng)，瞬態(tài)場(chǎng)，地面帶的影響和產(chǎn)品抗干擾性能，新的ANSI ESD標(biāo)準(zhǔn)就能克服所用IEC1000-4-2模擬器的ESD測(cè)量中進(jìn)退兩難的局面。這也表明，為什么IEC1000-4-2的方法和模擬器會(huì)有反復(fù)性問(wèn)題。;