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产品没有接地，ESD放电测试时地回路是怎样的？

科技 2024-11-10 18:42 广东

一个好问题：静电枪的地和产品的工作地不是一个吧，为什么仿真计算的时候要接到一起呢？

原问题截图如下：

问题应该是下面这个意思，我再画了个示意图：

仔细回想下我们打静电的场景，静电枪接了大地，待测设备放置在桌子上，如果设备没有接大地的话，好像确实没有回路呀，但是实际我们测试就是这么测的，而且也能放电，那放电的回路是什么样的呢？总不至于没有回路也能放电吧？

问题解释

其实我认为可以这样解释：我们的被测设备的GND会和大地之间会有一个寄生电容，静电放电是瞬间的，可以理解为交流信号（从文章“如何理解虚无缥缈的ESD”里面可知，ESD放电时的信号频率范围为几十Mhz到500Mhz），所以相当于短路了。

为此，我专门去看了下标准里面的ESD测试环境。ESD测试环境，在国标文件《GB／T17626.2-2018电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验.pdf》——对标IEC61000-4-2 中都有说明。

有些兄弟可能对这个图不是很了解，这里我们先关注这几个东西：绝缘垫，水平耦合板，接地参考平板，木桌。网上找了个实物图如下：

我们在来回顾下电容的本质是什么？——电容的本质就是两个相互靠近的导体，中间夹一层绝缘介质，就构成了电容。

我们的被测设备里面的PCB板，里面有我们定义的GND，它是一个有一定面积的导体，然后让它放置在绝缘垫上面，绝缘垫的下面就是一个巨大的金属板——水平耦合板（一个长1.2m，宽0.8m的金属板），这是另外一个导体，所以最它们会形成一个寄生电容。

如此同时，地面又有一个更大的金属板，它与桌子上面的水平耦合金属板也构成了一个电容，最终简化下就变成了下面这样。

所以，对于非接GND的产品，可以看到，回路实际上是通过两个寄生电容构成的：1个是接GND参考平板和水平耦合金属平板；另外一个是水平耦合金属平板和产品本身的GND。

写到这里，我又想看下这个寄生电容大小到底是多大呢？接地参考平板和水平耦合金属平板的大小和距离标准文件里面都有，比较好计算，算一下大概是14.2pF。

不过，另外一个电容就不太好计算了，因为这个跟被测产品强相关。

我们假定一个场景先算看看吧：产品里面有一个10*10的PCBA，有完整的地平面，装配离地高度10mm处，同样道理计算寄生电容大小为8.854pF。

这两个电容是串联的关系，因此总的电容是：C=14.2pF串联8.854pF= 5.45pF。

即相当于我们在做ESD测试实验的时候，大地和产品GND接了一个5.45pF的电容，这个电容构成了我们的ESD放电回路。

另外一个问题

可能有兄弟会说了，这个电容挺小啊，才几pF，就算可以把静电放电时的信号当作是交流，也不能当作是短路吧？

确实如此，前面说的，ESD放电的频谱大概是几十Mhz 到500Mhz，我们姑且范围是50Mhz ~500Mhz吧。根据阻抗Z=1/2πfC，5.45pF电容在50Mhz~500Mhz时的阻抗范围是：58.4Ω~584Ω

可以看到，电阻其实并不小，相对于ESD放电时，ESD枪的内阻300Ω数量级也差不多，仿真模型中直接忽略看作是短路确实准确性差了点。

总结

本文主要就一个兄弟提的问题，做了下思考，以及去查资料验证。

解释了非接地的产品，尽管产品GDN和大地EGND没有通过物理导体连接在一起，但是其可以通过寄生电容耦合形成回路，也可以进行ESD放电。同时也可以看到，对应非接地的产品，仿真时直接假定产品GND和静电枪的GND接到一起，并不是特别合适。

另外，不了解ESD测试环境的同学，可以看下下面这个ESD测试实验的环境搭建视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1gZ4y147sK/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a559f135e6f1797789dd00a1ed110061

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