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沒有接地的產品,ESD放電測試時地回路是怎樣的?

一個好問題

原問題截圖如下:

問題應該是下面這個意思,我再畫了個示意圖:

仔細回想下我們打靜電的場景,靜電槍接了大地,待測設備放置在桌子上,如果設備沒有接大地的話,好像確實沒有回路呀,但是實際我們測試就是這么測的,而且也能放電,那放電的回路是什么樣的呢?總不至于沒有回路也能放電吧?

 問題解釋

其實我認為可以這樣解釋:我們的被測設備的GND會和大地之間會有一個寄生電容,靜電放電是瞬間的,可以理解為交流信號(從文章“如何理解虛無縹緲的ESD”里面可知,ESD放電時的信號頻率范圍為幾十Mhz到500Mhz),所以相當于短路了。 

為此,我專門去看了下標準里面的ESD測試環境。ESD測試環境,在國標文件《GB/T17626.2-2018電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗.pdf》——對標IEC61000-4-2 中都有說明。

有些兄弟可能對這個圖不是很了解,這里我們先關注這幾個東西:絕緣墊,水平耦合板,接地參考平板,木桌。網上找了個實物圖如下:

我們在來回顧下電容的本質是什么?——電容的本質就是兩個相互靠近的導體,中間夾一層絕緣介質,就構成了電容。

我們的被測設備里面的PCB板,里面有我們定義的GND,它是一個有一定面積的導體,然后讓它放置在絕緣墊上面,絕緣墊的下面就是一個巨大的金屬板——水平耦合板(一個長1.2m,寬0.8m的金屬板),這是另外一個導體,所以最它們會形成一個寄生電容。

如此同時,地面又有一個更大的金屬板,它與桌子上面的水平耦合金屬板也構成了一個電容,最終簡化下就變成了下面這樣。

所以,對于非接GND的產品,可以看到,回路實際上是通過兩個寄生電容構成的:1個是接GND參考平板和水平耦合金屬平板;另外一個是水平耦合金屬平板和產品本身的GND。

寫到這里,我又想看下這個寄生電容大小到底是多大呢?接地參考平板和水平耦合金屬平板的大小和距離標準文件里面都有,比較好計算,算一下大概是14.2pF。

不過,另外一個電容就不太好計算了,因為這個跟被測產品強相關。

我們假定一個場景先算看看吧:產品里面有一個10*10的PCBA,有完整的地平面,裝配離地高度10mm處,同樣道理計算寄生電容大小為8.854pF。 

這兩個電容是串聯的關系,因此總的電容是:C=14.2pF串聯8.854pF= 5.45pF。

 即相當于我們在做ESD測試實驗的時候,大地和產品GND接了一個5.45pF的電容,這個電容構成了我們的ESD放電回路。 

另外一個問題

可能有兄弟會說了,這個電容挺小啊,才幾pF,就算可以把靜電放電時的信號當作是交流,也不能當作是短路吧?

確實如此,前面說的,ESD放電的頻譜大概是幾十Mhz 到500Mhz,我們姑且范圍是50Mhz ~500Mhz吧。根據阻抗Z=1/2πfC,5.45pF電容在50Mhz~500Mhz時的阻抗范圍是:58.4Ω~584Ω 

可以看到,電阻其實并不小,相對于ESD放電時,ESD槍的內阻300Ω數量級也差不多,仿真模型中直接忽略看作是短路確實準確性差了點。 

總結 

本文主要就一個兄弟提的問題,做了下思考,以及去查資料驗證。 

解釋了非接地的產品,盡管產品GDN和大地EGND沒有通過物理導體連接在一起,但是其可以通過寄生電容耦合形成回路,也可以進行ESD放電。同時也可以看到,對應非接地的產品,仿真時直接假定產品GND和靜電槍的GND接到一起,并不是特別合適。 

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