模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器

1.本发明实施例涉及静电放电抗扰度测试技术领域，特别涉及模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器。


背景技术：

2.静电放电(electronic static discharge，esd)是指具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移现象。静电放电产生的注入电流和辐射场会对电子器件或系统产生严重的干扰甚至损坏，所以，在电子产品批量生产之前，需要对其进行静电抗扰度测试。目前比较通用的标准是iec61000-4-2。其中用于静电放电的测试模型为人体金属模型。
3.iec标准中虽然规定了使用静电枪来模拟带电人体的静电放电的静电测试方法，但是iec标准中只是针对系统级的静电测试，对于pcb板级的人体静电放电抗扰度测试并没有相关的标准进行规范。并且已有研究表明，不同的静电枪，由于其接地线长度的不同和摆放位置的不规范会导致测试结果存在差异，因此，有关静电发生器的设计还有待进一步的提高。


技术实现要素：

4.发明人发现，目前静电放电测试波形主要通过静电枪产生，传统的国内外商业静电枪的设计中体现的是iec 61000-4-2国际标准建议的波形，但是模拟真实的人体放电场景和iec标准建议波形有所区别，所以本发明针对不同的情况设计了模拟人体金属放电的两种静电发生器。本发明提出的两个静电发生器嵌入在pcb板中，采用sma端口的外部参考金属层作为参考地，并且搭载水银开关，其产生的波形重复性更好，可以用于同轴结构设备端口或pcb板级静电抗扰度的标准化测试。
5.本发明实施例提供了如下技术方案：
6.模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器，模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器分别是基于iec标准的静电发生器和基于真实人体金属放电场景的静电发生器，所述iec标准的静电发生器的等效电路是由符合iec标准的双指数函数的等效电路实现的，所述iec标准为iec 61000-4-2，基于真实人体金属放电场景的静电发生器的等效电路是根据人体-手-金属放电场景的真实阻抗测试而建立的；
7.模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器都包括高压直流模块、核心等效电路、水银开关和sma输出接头，并且波形产生平台为印刷电路板，高压直流电压源端接在人体等效电容的两端，水银开关连接在等效电路末端和sma接头之间，sma接头可连接到受测设备端口，用于设备端口的静电抗扰度测试；
8.模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器嵌入在印刷电路板上，采用sma端口的外部参考金属层作为参考地，避免了接地线对测试结果所带来的影响，可方便地用于实际的同轴结构的设备端口的静电抗扰度测试。
9.其中，核心等效电路、水银开关和sma接头焊接在电路板上。
10.其中，所述水银开关为磁控开关，采用磁性元件控制通断。
11.其中，所述基于iec标准静电发生器的水银开关附近的上层微带线和下层地层形成了寄生电容，通过去除掉了地层的一部分铜来消除寄生电容，以避免寄生电容对静电发生器的影响。
12.其中，所述基于真实人体金属放电场景的静电发生器的等效电路可以准确的描述人体的阻抗参数，它是根据人体的阻抗测试而建立的。
13.与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
14.针对现有静电枪测试标准和接地线设置所存在的缺陷，本发明提出了模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器。模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器的等效电路一个是符合iec标准的双指数函数的等效电路。另一个是根据真实人体的阻抗参数而建立的，这与绝大多数静电发生器不同。模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器均嵌入在印刷电路板上，均采用sma端口的外部参考金属层作为参考地，避免了接地线对测试结果所带来的影响，可以方便的用于实际的同轴结构的静电抗扰度测试。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为所述两个同轴静电发生器的结构示意图；
17.图2(a)为所述基于iec标准静的电发生器的等效电路原理图；
18.图2(b)为所述基于iec标准静的电发生器实测和等效电路仿真阻抗参数的比较；
19.图3(a)为基于真实人体金属放电场景的静电发生器的等效电路原理图；
20.图3(b)为基于真实人体金属放电场景的静电发生器实测和等效电路仿真阻抗参数的比较；
21.图4(a)为所述基于iec标准静的电发生器在500v下实测的放电电流波形；
22.图4(b)为所述基于iec标准静的电发生器在500v下实测的放电电流波形。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
25.发明人发现，目前静电放电测试波形主要通过静电枪产生，传统的国内外商业静电枪的设计中体现的是iec 61000-4-2国际标准建议的波形，但是真实的人体放电和iec标准建议波形有所区别，所以本发明针对不同的情况设计了两种静电发生器。针对现有静电枪测试标准和接地线设置所存在的缺陷，本发明提出了模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器。模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器的等效电路一个是符合iec标准的双指数函数的等效电路，另一个是根据真实人体的阻抗参数而建立的，这与绝大多数静电发生器不同。两个同轴静电发生器均嵌入在印刷电路(pcb)板上，采用波形输出小型连接头(sub-miniature version a，sma)端口的外部参考金属层作为参考地，避免了接地线对测试结果所带来的影响，可以方便的用于实际的同轴结构的静电抗扰度测试。
26.本发明提出的模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器均嵌入在pcb板中，均采用sma端口的外部参考金属层作为参考地，并且搭载水银开关，其产生的波形重复性更好，可以用于同轴结构设备端口或pcb板级静电抗扰度的标准化测试。
27.本发明实施例提供了如下技术方案：
28.模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器分别是基于iec标准的静电发生器和基于真实人体金属放电场景的静电发生器，所述iec标准的静电发生器的等效电路是由符合iec标准的双指数函数的等效电路实现的，所述iec标准为iec 61000-4-2，基于真实人体金属放电场景的静电发生器的等效电路是根据人体-手-金属放电场景的真实阻抗测试而建立的；
29.模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器都包括高压直流模块、核心等效电路、水银开关和sma输出接头，并且波形产生平台为印刷电路板，高压直流电压源端接在人体等效电容的两端，水银开关连接在等效电路末端和sma接头之间，sma接头可连接到受测设备端口，用于设备端口的静电抗扰度测试；
30.模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器嵌入在印刷电路板上，采用sma端口的外部参考金属层作为参考地，避免了接地线对测试结果所带来的影响，可方便地用于实际的同轴结构的设备端口的静电抗扰度测试。
31.其中，核心等效电路、水银开关和sma接头焊接在电路板上。
32.其中，所述水银开关为磁控开关，采用磁性元件控制通断。
33.其中，基于iec标准的静电发生器的水银开关附近的上层微带线和下层地层形成了寄生电容，通过去除掉了地层的一部分铜来消除寄生电容，以避免寄生电容对静电发生器的影响。
34.其中，基于真实人体金属放电场景的静电发生器的等效电路可以准确的描述人体的阻抗参数，它是根据人体的阻抗测试而建立的。
35.其中，模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器均采用sma接口，可用于设备端口的静电抗扰度测试。
36.其中，基于iec标准的静电发生器是由符合iec标准的双指数函数实现的，它的等效电路可描述为两个rlc电路。
37.其中，基于真实人体金属放电场景的静电发生器的电路模型是根据实际的人体阻抗参数测试而建立的，它包括三个rlc电路，分别等效了人体阻抗参数的不同部分。
38.其中，所述高压直流源为可调高压直流源，先经过高压模块进行升压，再通过一个
大电阻为人体等效电容进行充电。
39.其中，所述两个同轴静电发生器均采用sma接头，可连接至波形检测设备或受测设备端口，可以用于同轴端口的静电抗扰度测试。
40.同轴静电发生器连接关系为：高压直流源端接在人体的等效电容两端，通过一个大电阻为人体等效电容进行充电；水银开关连接在等效电路末端和sma接头之间。人体等效电容充电完成后，通过闭合水银开关释放静电放电电流波形，通过sma接头连接至波形检测设备端口或待测设备端口，可用于同轴结构的静电抗扰度测试。
41.与现有的技术相比，本发明的模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器准确的再现了实际的静电放电电流波形。而且静电发生器设计简单，搭建便捷；嵌入在pcb板上，采用sma端口的外部参考金属层作为参考地，避免了接地线对测试结果所带来的影响，可以方便的用于实际的测试；搭载水银开关，灵敏度高，内部填充水银通断簧片几乎无抖动，产生的静电放电电流波形具有较好的重复性。模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器可以用于同轴结构的静电抗扰度测试，为同轴结构的抗扰度测试提供了一个新的标准，其中两个等效电路也可以方便的嵌入到电路仿真软件中，对静电放电进行评估和预测。
42.图1是模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器实际的结构示意图，其中包括高压直流源、核心等效电路、水银开关和sma接头。等效电路、水银开关和sma接头焊接在印刷电路板上。两个等效电路分别由符合iec标准的双指数函数和真实人体的阻抗参数而建立的。
43.具体的，高压直流源为220v交流电压输入，可调直流电压输出。采用了两个直流电压源，一个为高压模块进行供电，另一个用于调节输出电压。高电压的输出端接在人体的等效电容(图2(a)中c1或图3中cb1)两端，通过一个大电阻为其进行充电。
44.具体的，水银开关为高压磁控开关，外部为密封玻璃管封装，内部用水银填充，通过使用磁性材料可以控制开关闭合。水银开关焊接在等效电路末端和sma接头之间，待人体等效电容充电完成，通过闭合水银开关，释放静电放电电流波形。
45.具体的，sma接头可连接至波形检测设备或被测设备，可以用于同轴结构的静电抗扰度测试。
46.具体的，所述基于iec标准的静电发生器的等效电路可以由符合iec标准的双指数函数实现，其等效电路可以表示为两个rlc电路，如图2(a)所示。其中相关的参数为：c1＝150pf、r1＝150ω、l1＝1.2uh、c2＝16.5pf、r2＝200ω、l2＝110nh、r3＝50ω。r1、c1、l1、r2和l2组成的电路用于产生上升较为缓慢的第二峰值电流，c2、r2和l2组成的电路用于产生上升较快的第一峰值电流，r3是测试系统的负载。图2(b)是矢量网络分析仪测量的静电发生器和等效电路仿真的阻抗参数的比较，两者保持一致，在频域上证明了所制作的静电发生器的准确性。
47.具体的，所述基于iec标准的静电发生器水银开关附近的上层微带线和下层地层形成了寄生电容，去除掉了地层与之对应的铜，避免了寄生电容对静电发生器的输出波形产生的影响。
48.具体的，所述基于真实人体金属放电场景的静电发生器的等效电路由人体的阻抗参数建立的，人体的阻抗参数可以由矢量网络分析仪测量得到。将人体的各个部分等效为rlc元件进行等效电路的建模，图3(a)显示了人体的等效电路的示意图，它包括三个rlc电
路，r1、l1和c1代表整个人体，用于等效人体阻抗参数的100mhz以上的高频部分，其实际焊接的元器件值分别为130ω、330nh和100pf。r2、l2和c2代表人体的腰部，用于等效人体阻抗参数的10m-100mhz的中频部分，其实际焊接的元器件值分别为180ω、270nh和20pf。r3、l3和c3代表人体的手臂部分，用于等效人体阻抗参数的10mhz以下的低频部分，其实际焊接的元器件值分别为56ω、16nh和13pf。建立的等效电路可以准确的描述真实人体的阻抗参数。图3(b)显示了所述基于真实人体金属放电场景的静电发生器的阻抗参数实测结果和等效电路仿真结果的比较，两者具有较好的一致性，证明所建立的等效电路的准确性。
49.图4(a)和(b)分别为在输出电压为500v下所述基于iec标准的静电发生器和所述基于真实人体金属放电场景的静电发生器实测的放电电流波形。当然，输入电压可以为500v到2000v之间。
50.具体的，在实际测试中高压源的输出端接在人体等效电容的两端，待充电完成后，通过磁铁闭合开关，释放放电电流，通过sma接头连接至示波器进行显示。示波器的带宽为2ghz，采样率为5gsa/s，测量了放电电压为500v时两个同轴静电发生器的放电电流波形。由于负载不是iec标准的2ω电流靶，所以结果有所不同。所述基于iec标准的静电发生器的实测波形其峰值为1.76a，上升时间约为0.9ns，符合iec的标准，第一峰值的回落主要是由于水银开关下的微带线与地层之间的寄生电容引起的。所述基于真实人体金属放电场景的静电发生器其峰值为4.16a，上升时间约为0.4ns，在整体波形上与人体放电电流波形较一致。
51.本发明所提出的模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器，不仅结构简单，便于实现，而且避免了传统静电枪由于接地线长度和摆放位置的不规范导致测试结果不同的情况。根据建议的电路模型和参数值，构建的新型静电发生器，能够体现iec标准和真实人体的静电放电特性。在水银开关的控制下，其产生的放电电流波形具有较好的重复性，可以方便的用于同轴结构的电子器件或系统的静电抗扰度测试，为pcb板级同轴结构的静电抗扰度测试提供了一个新的标准。
52.本发明所提出的模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器，一个是基于iec标准波形，另一个是基于真实人体金属阻抗特性设计。所述模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器都是在pcb板级实现的，都包括高压直流源、等效电路、水银开关和波形输出sma端口。高压直流源端接在人体等效电容两端，水银开关连接在核心等效电路末端和sma接头之间，sma接头可连接到受测设备pcb板sma高速电路端口。模拟人体金属放电的两个同轴静电发生器都准确的再现了不同要求下的静电放电电流波形，可用于受试设备pcb端口的电子器件的静电抗扰度防护性能测试，为设备端口静电防护器件性能的测试提供一种有效的标准化方法。
53.本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本技术中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本技术所示的实施例，而是要符合与本技术所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。