【分享贴】大话ESD和浪涌

从事电子产品开发的朋友应该都知道，电子产品样机完成之后，会进入产品性能测试阶段，而其中的EMC（电磁兼容）测试则是至关重要的一项。
EMC（电磁兼容）又被分为两大类：EMI（电磁干扰）和EMS（电磁抗干扰）。
EMI（电磁干扰）：其简单定义就是我们所设计的电子产品在正常运行时，不能干扰到其他的电子产品正常使用；
我们日常测试主要包括RE(辐射发射干扰度) 、CE(传导发射干扰度) 、和Harmonics(谐波电流干扰度)等项目。
EMS（电磁抗干扰）：其简单定义就是我们所设计的电子产品在正常运行时，不能被其他电子产品所干扰到；
我们日常测试主要包括ESD（静电抗干扰度）、Noise（噪音抗干扰度）、EFT（电快速瞬变脉冲群抗干扰度）和Surge（浪涌抗干扰度）等项目。

本文主要进行论述的是EMS电磁抗干扰中的ESD静电和Surge浪涌的测试标准和测试方法。

一、 ESD

1、 ESD的测试标准

ESD国际通用的标准是IEC61000-4-2 ESD Protection，对应国标GB/T 17626.2-2018，在很多器件手册里还是标注的是IEC61000-4-2 ESD。

ESD测试是使用静电枪进行接触或空气静电测试。下面先看一下静电枪设备的原理图框图：

静电的注入点要注意，有金属的地方，才适合做接触放电，如果是绝缘的，没必要做接触放电。如下是接触放电和空气放电所需要的放电头。

以4KV接触放电为例，下图显示了静电枪释放出来的波形，第一个峰值电流要求15A，上升时间tr=0.8ns，30ns处的电流8A，60ns处的电流4A。其他等级的ESD参数详见标准，有个规律，电流的增加随电压要求成正比增加，tr的要求是一样的。可见静电的电压很高，电流也很高，但是时间非常短，所以能量很低。

ESD的测试环境是：
环境温度15℃-35℃
相对湿度30%-60%
大气压86kPa-106Kpa

2、 ESD测试方法

ESD测试需要专门的测试仪器，这里以我用过的普锐马 ESD61002TA为例进行说明

1） 极性：静电电荷分为正电荷和负电荷，所以ESD测试极性分为正负两极，如上文ESD手册，支持+/-20KV。如上的测试仪器可以选择测试极性。
2） 电压: 是静电枪输出的静电电压，可以根据实际需求进行调节
3） 放电方式：分为接触放电和空气放电，如上文描述，接触放电和空气放电所用到的放电头是不一样的需要注意区分。
4） 间隔时间：指的是两次放电的间隔时间，可以设置。
5） 触发方式：分为手动触发、自动触发、单次触发，手动触发需要按下静电枪上的按键。每按下一次触发一次。自动触发按下静电枪上的触发按键，会根据你设置的触发次数，按照间隔时间进行触发，直到测试完全部次数。单次触发只会触发一次，即点下静电枪触发一次。
6） 测试次数：根据需求设置测试次数，一般设置10次
设置好所需要的参数点击运行，充电结束之后，就可以使用了。通常测试多用到手动触发，因为需要观察每次静电过后机器的状态，是否损坏或死机。每次静电枪放电测试后需要把被测试设备上的静电通过地线进行放电，防止电荷积累，导致测试数据不准确。

3、 测试结果

试验结果应依据受试设备在试验中的功能丧失或性能降低现象进行分类,相关的性能水平由设备的制造商或需要方确定，或由产品的制造商和购买方双方协商同意。推荐按如下要求分类：
a) 在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常;
b) 功能或性能暂时丧失或降低，但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预；
c）功能或性能暂时丧失或降低，但需操作者干预才能恢复；
d) 因设备硬件或软件损坏,或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。
说白了，就是根据实际需求进行确定标准。

二、 浪涌

1、 浪涌测试标准

浪涌现象产生原因：

1）电力系统开关瞬态：
a) 主要的电力系统切换骚扰，例如电容器组的切换;
b) 配电系统中较小的局部开关动作或负载变化;
c) 与开关器件(如晶闸管)相关联的谐振现象;
d) 各种系统故障，例如设备组合对接地系统的短路和电弧故障。

2）雷电瞬态雷电产生浪涌电压:
a) 直接雷，它击于外部(户外)电路，注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压；
b) 间接雷(即云层之间或云层中的雷击或击于附近物体的雷击产生的电磁场),它在建筑物内、外导体上产生感应电压和电流；
c)附近直接对地放电的雷电电流,当它耦合到设备组合接地系统的公共接地路径时产生感应电压。
d)当雷电保护装置动作时,电压和电流可能发生迅速变化,并可能耦合到内部电路。

IEC61000-4-5 Transient Voltage Protection是浪涌测试标准，对应国标GB T17626.5-2008。

对通讯网和长距离信号电路端口，推荐采用10/700μs组合波发生器。常见电子设备如RJ45，RS232, XDSL, RS485，安防摄像头等。
对交直流电源端口和短距离信号电路端口等消费电子领域，推荐采用1.2/50μs组合波发生器。常见电子设备如LED照明设备，基站、手机、智能手表等。这个“组合波发生器”就是浪涌测试仪。
1）在消费类电子领域
我们主要用到1.2/50us组合波。这个“1.2/50us”是对浪涌测试仪的电压放电要求，“8/20us”是对浪涌测试仪的电流放电要求，下文会详细解释。
下图是浪涌测试仪的内部原理，在没有负载（开路）情况下，浪涌测试仪应该要输出波前电压1.2us，电压半峰值时间50us。在输出短路情况下，应能输出波前电流8us，电流半峰值时间20us。开路输出电压与短路输出电流的比值称为浪涌测试仪内阻，要求是2Ω。

下面是1.2/50us电压波形和8/20us电流波形规定，特别注意，这些都是仪器不连接被测设备的波形要求。

2）在长线通讯领域或暴露在室外的电子产品
我们主要用到10/700us组合波。这个“10/700us”是对浪涌测试仪的电压放电要求，“5/320us”是对浪涌测试仪的电流放电要求，
下图是浪涌测试仪的内部原理，在没有负载（开路）情况下，浪涌测试仪应该要输出波前电压10us，电压半峰值时间700us。在输出短路情况下，应能输出波前电流5us，电流半峰值时间320us。开路输出电压与短路输出电流的比值成为浪涌测试仪内阻，要求是40Ω。

下面是消费类电子领域经常用的浪涌设备的耦合/去耦合网络原理图，浪涌是注入到设备的供电线中的，去耦合网络是为了保护供电设备不受破坏。

2、浪涌测试方法

浪涌测试都需要专门的测试仪器，这里以我用过的普锐马 TVS 8/20 TC为例进行说明

1）极性选择：可以选择正负两种电平，一般浪涌测试两种都需要测试
2）电压设置：可以根据自己实际需求，选择需要测试电压
3）触发方式：间隔可以根据自己需求进行设置
4）测试次数：指测试浪涌次数，一般选择10次
设置好上述参数，将浪涌测试台上的+/-分别夹在需要测试端口上，运行设备即可。

3、 测试结果

试验结果应依据受试设备在试验中的功能丧失或性能降低现象进行分类,相关的性能水平由设备的制造商或需要方确定，或由产品的制造商和购买方双方协商同意。推荐按如下要求分类：
a) 在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常;
b) 功能或性能暂时丧失或降低，但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预；
c）功能或性能暂时丧失或降低，但需操作者干预才能恢复；
d) 因设备硬件或软件损坏,或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。
说白了，就是根据实际需求进行确定标准。

三、 TLP测试

那么如何去选择ESD管子呢？如果两个ESD管都能通过接触±8kV静电测试的时候，我们该如何去选择呢？
选择ESD管子优先关注的是防护等级，如果防护等级一样，我们要看ESD的管的钳位电压那个更低，那如果钳位电压也一样呢？
那我们就要关注TLP测量出来的I-V曲线，对比相同电流下的钳位电压，哪个低哪个就是最好的，如下图。

那么什么是TLP测试呢？
TLP（Transmission Line Pulse）测试，用100ns脉宽的方波，测量不同电压幅度下的电流值，电压值一直增加到管子损坏为止。100ns比IEC61000-4-2规定的静电波形1ns大得多，这更能考验ESD管的性能，也更能反应ESD管的钳位能力，下图是静电测试和TLP测试的比较，明显TLP的能量更大。

四、TVS管的技术指标

这里说的TVS管包括防ESD用的小功率TVS管，也称为ESD管和防浪涌用的大功率TVS管，也称为浪涌管。
Ipp：最大反向峰值电流，就是按照IEC 61000-4-5标准，8/20us电流波形，电容/电感去耦合网络测试的。这个值越大，TVS管性能越好。
Vc@Ipp：钳位电压，达到最大电流Ipp时，钳位电压值。这个值，越小越好
Vrwm：最大反向工作电压，被保护的信号，其正常工作时的电压不能超过这个电压。其实这个电压是TVS管反向漏电流为1uA时的电压值，如果电压再大，反向电流会很快增加。TVS型号上的数字就是这个电压。
Vbr：反向击穿电压，二极管反向电流达到1mA时的电压值。当反向电压超过这个值时，反向电流会急剧增加。
Cj：结电容，一般是pF级别，用在高速信号线上时，比如USB2.0的D+和D-，结电容要小于1pF。
Pppm：按照IEC 61000-4-5标准测试出来的最大Ipp乘以此时的钳位电压Vc。浪涌管选型，不要只看这个值，更要看钳位电压是多少。

五、 ESD管和浪涌管选型

1、Vrwm不得小于被保护信号的工作电压。

从减少漏电的角度考虑，Vrwm比被保护信号的工作电压越大，漏电流越小。不要小看1uA的漏电流，很多器件的待机电流都是nA级别的哦。

从保护强度的角度考虑，Vrwm越接近信号工作电压，管子的钳位电压Vc越低，对信号的保护作用越好。

ESD管和浪涌管的静电防护等级要大于产品本身要求的防护等级。

ESD管和浪涌管的静电钳位电压，浪涌钳位电压越低越好。

浪涌管的钳位电压要小于被保护电路的允许工作的最大工作范围。

浪涌管的功率要求：假设要通过300V浪涌，要求钳位电压是20V以内，因为浪涌测试仪的内阻是2ohm，所以最大输出电流是(300V-20V)/2ohm=140A，则要选择管子功率在140A*20V=2800W以上。当然，如果这个浪涌管的钳位电压小于20V，对功率的要求还能低一些。

管子的保护性能，主要跟钳位电压有关，不要看Ipp之类的参数。

简言之，先看Vrwm，再看Vc，在看功率，没什么难的。