沒有接地的產(chǎn)品，ESD放電測試時(shí)地回路是怎樣的？

之前的文章“如何理解虛無縹緲的ESD”，里面有用到仿真電路，有個(gè)兄弟提了個(gè)好問題：靜電槍的地和產(chǎn)品的工作地不是一個(gè)吧，為什么仿真計(jì)算的時(shí)候要接到一起呢？

一個(gè)好問題

原問題截圖如下：

問題應(yīng)該是下面這個(gè)意思，我再畫了個(gè)示意圖：

仔細(xì)回想下我們打靜電的場景，靜電槍接了大地，待測設(shè)備放置在桌子上，如果設(shè)備沒有接大地的話，好像確實(shí)沒有回路呀，但是實(shí)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(shí)我認(rèn)為可以這樣解釋：我們的被測設(shè)備的GND會(huì)和大地之間會(huì)有一個(gè)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(shí)的信號頻率范圍為幾十Mhz到500Mhz），所以相當(dāng)于短路了。

為此，我專門去看了下標(biāo)準(zhǔn)里面的ESD測試環(huán)境。ESD測試環(huán)境，在國標(biāo)文件《GB／T17626.2-2018電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn).pdf》——對標(biāo)IEC61000-4-2 中都有說明。

有些兄弟可能對這個(gè)圖不是很了解，這里我們先關(guān)注這幾個(gè)東西：絕緣墊，水平耦合板，接地參考平板，木桌。網(wǎng)上找了個(gè)實(shí)物圖如下：

我們在來回顧下電容的本質(zhì)是什么？——電容的本質(zhì)就是兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層絕緣介質(zhì)，就構(gòu)成了電容。

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

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

所以，對于非接GND的產(chǎn)品，可以看到，回路實(shí)際上是通過兩個(gè)寄生電容構(gòu)成的：1個(gè)是接GND參考平板和水平耦合金屬平板；另外一個(gè)是水平耦合金屬平板和產(chǎn)品本身的GND。

寫到這里，我又想看下這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)文件里面都有，比較好計(jì)算，算一下大概是14.2pF。

不過，另外一個(gè)電容就不太好計(jì)算了，因?yàn)檫@個(gè)跟被測產(chǎn)品強(qiáng)相關(guān)。

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

這兩個(gè)電容是串聯(lián)的關(guān)系，因此總的電容是：C=14.2pF串聯(lián)8.854pF=5.45pF。

即相當(dāng)于我們在做ESD測試實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，大地和產(chǎn)品GND接了一個(gè)5.45pF的電容，這個(gè)電容構(gòu)成了我們的ESD放電回路。

另外一個(gè)問題

可能有兄弟會(huì)說了，這個(gè)電容挺小啊，才幾pF，就算可以把靜電放電時(shí)的信號當(dāng)作是交流，也不能當(dāng)作是短路吧？

確實(shí)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(jù)阻抗Z=1/2πfC，5.45pF電容在50Mhz~500Mhz時(shí)的阻抗范圍是：58.4Ω~584Ω

可以看到，電阻其實(shí)并不小，相對于ESD放電時(shí)，ESD槍的內(nèi)阻300Ω數(shù)量級也差不多，仿真模型中直接忽略看作是短路確實(shí)準(zhǔn)確性差了點(diǎn)。

總結(jié)

本文主要就一個(gè)兄弟提的問題，做了下思考，以及去查資料驗(yàn)證。

解釋了非接地的產(chǎn)品，盡管產(chǎn)品GDN和大地EGND沒有通過物理導(dǎo)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(jìn)行ESD放電。同時(shí)也可以看到，對應(yīng)非接地的產(chǎn)品，仿真時(shí)直接假定產(chǎn)品GND和靜電槍的GND接到一起，并不是特別合適。

來源：硬件工程師煉成之路