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空气放电去耦合设计
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摘要:空气放电是EMC测试中的重要一环，抗静电设计也是各类电子产品的一大难题，本文重点讨论空气放电测试时出现的一类特殊现象的整改设计，即空间耦合后的ESD设计。
关键词:静电放电；电磁兼容；耦合；去耦合
0引言
静电放电是电磁兼容抗扰度测试中的一项，主要依据IEC61000-4-2这一基础标准界定如何测试，包括测试仪器、测试布局、测试过程和测试结果的判定。
目前的测试主要集中在三个方面的测试：
水平耦合板HCP和垂直耦合板VCP的间接放电，这个测试模拟被测设备EUT处在强静电场下的抗扰度能力，对于有金属外壳的EUT，因为屏蔽的作用，影响不大。但对于塑料外壳的EUT，影响比较大，EUT的整个电路部分都会暴露在这个强静电场下。
被测设备EUT金属表面的直接接触放电，主要模拟静电通过金属表面泄放后，静电电流流经之处对EUT的影响，以及这一电流产生的强静电场对附近电路的影响。设计上对应的策略主要是考虑泄放路径的低阻抗和迅速泄放，以及对其他电路的隔离，对于比较敏感的电路还要考虑等电位搭接。
各类窗口缝隙的空气放电，主要模拟人手接触这些缝隙和窗口时，对EUT内部电路的放电导致的失效，这类测试主要集中在塑料外壳表电。
根据这三大类的测试，分别对应着一些设计策略，前两类的设计许多文献及书籍都有描述，也形成了一些固定的设计方法和设计理论。
本文重点讨论因为测试设备放电模式的不同而出现的耦合现象，导致EUT失效。
1静电放电概述
静电放电现象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。现实中放电现象比较多，现行国际标准中将静电放电分为几大模型。
CDM模型（ChargedDeviceModel）
电子器件在装配、传递、处理、运输等过程中，可能因器件与工作面及包装材料等接触摩擦而带电。当带电的电子器件接近或接触导体或人体时，便会产生ESD失效。由于这一放电过程是器件本身带电而引起，因此称为CDM模型。美国ESD协会标准STM5.3.1-1999规定了CDMESD波形的校验网络、测试系统带宽、以及波形和参数。
MM模型（MachineModel）
MM模型是用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电，这一模型最早是日本提出，也称日本模型。美国ESD协会标准STM5.2-2012和国际电工委员会标准IEC61340-3-2，对实验电路的典型放电电流波形和参数做了相关的规定。
HBM模型（HumanBodyModel）
用来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用，人体产生的静电是最主要的静电危害之一。美国ESD协会标准STM5.1-1999和国际电工委员会标准IEC61340-3-1对标准人体模型的电路参数，放电电流波形，还有电流参数都做了相关的规定。
IEC61000-4-2模型
IEC61000-4-2模型是在HBM模型基础上修改了人体放电电阻和放电电容单独生成的一个模型，也成为国际上用途最广泛的模型,基本原理同HBM模型。
图1为IEC61000-4-2标准里典型放电电流波波形，表1列出了波形的重要校验参数，从中可以看出波形上升沿Tr非常陡峭，在0.6~1ns之间，这是所有EMS抗扰度波形中最陡峭的波形，其频谱能量理论上能覆盖到300MHz以上，从现实中的频谱仪抓取的能量来看，更能达到1GHz。
图1：IEC61000-4-2：2008在4kV下的典型接触放电电流波形
等级
指示电压kV
放电第一个峰值电流±15%A
上升沿tr
(±25%)ns
在30ns时的电流(±30%)A
在60ns时的电流(±30%)A
1
2
7,5
0,8
4
2
2
4
15
0,8
8
4
3
6
22,5
0,8
12
6
4
8
30
0,8
16
8
表1：IEC61000-4-2：2008波形参数
从表1中还可以看出静电电流在峰值处都比较高，这一瞬态电流流过之处，破坏性都极大，常规的MOSPN极经受不住这些冲击。静电放电的失效主要表现为两大类失效模式。
电压失效模式
静电放电电压会导致某些PIN状态位锁死，而失效。EUT主要表现某些按键或者控制信号失灵，需要系统重新启动才能恢复。
电流失效模式
静电放电电压会击穿某些MOSPN极，导致失效。EUT主要表现某些功能PIN永久性损坏，器件的SEM(电子显微镜扫描)解剖会发现，或介质击穿，或互联性熔断，或信号短路。
2静电放电设计
静电放电因其频谱丰富，监控手段有限，从而导致实际分析的时候比较困难，需要工程师有丰富的经验。如图2所示，放电点波形为标准的静电波形(红色线)，而在IC侧，因长距离走线后变为震荡波形(紫色线)，两者
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