作者 | 左成鋼

出品 | 汽車電子與軟件

 前言：

本文是《ECU的車規(guī)級試驗》系列文章（點擊可查看全部文章）。

一：標準概述（強標及推薦性標準）

二：電氣環(huán)境標準簡介（GB/T 28046即ISO 16750）

三：電氣負荷標準及測試（GB/T 28046.2即ISO 16750-2）

四：機械負荷標準及測試（GB/T 28046.3即ISO 16750-3）

五：氣候負荷、防護標準及測試（GB/T 28046.4即ISO 16750-4）

六：EMC標準及測試1-8（傳導及輻射，干擾及抗干擾）

書接前文，前面已經(jīng)介紹了關于ECU靜電放電ESD的基礎知識，包括ESD產(chǎn)生的原因，如何防護、相關標準及測試要求等；同時基于測試要求，又介紹了相關的設計原理及端口防護器件，本篇文章將重點介紹靜電（ESD）抗擾的相關試驗標準及DV測試。

文中所有測試項目均配有真實的DV試驗照片，包含測試設備、樣品、測試Setup、測試限值及結(jié)果判定等，幫助大家對DV試驗有一個更深刻的了解和認知。在此特別感謝CVC威凱檢測技術(shù)提供的試驗室技術(shù)支持和測試照片。

*注：本文部分內(nèi)容節(jié)選自作者新書《廣義車規(guī)級電子元器件可靠性設計與開發(fā)實踐》，由機械工業(yè)出版社于2024年6月份出版，節(jié)選時進行了改編。本文內(nèi)容較多，建議大家收藏閱讀。

本文目錄如下：

1. 靜電放電ESD標準

1.1道路車輛ESD標準

1.2 標準范圍

1.3 專業(yè)術(shù)語

1.4試驗條件及設備

1.5放電模式

1.6空氣放電的特點

1.7接觸放電的特點

1.8 DUT通電

1.9 DUT不通電

1.10 DUT表面的影響

1.11功能要求

1.12整車試驗方法

1.13 試驗的嚴酷等級

2. ESD的DV測試

2.1 DV試驗等級及要求

2.2 ESD的DV試驗布置

2.3 結(jié)果判定

3. ESD試驗標準總結(jié)

01、靜電放電ESD標準

之前我們在講GB/T 18655標準時提到過，標準都是從大到小的，比如我們現(xiàn)在講的道路車輛的相關標準，上面一定還有比他更大的一個標準，通常都是涵蓋所有電氣和電子設備的。大的標準再逐漸往下細化，比如細化到汽車行業(yè)，就是道路車輛。汽車行業(yè)無論是整車還是零部件，都參考道路車輛標準即可，如無相關標準，再去參考其他國家標準或行業(yè)標準。

關于ESD（Electrostatic Discharge）的通用行業(yè)標準前文其實也提到了，不知道大家留意到?jīng)]有，這個標準就是GB/T 17626.2-2018 電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗。這是一個針對電子電氣設備ESD測試的通用標準，采標IEC 61000-4-2；2008 IDT。IEC 61000也是一個通用的EMC國際標準，其中IEC 61000-4-2是專門針對ESD測試的。GB/T 17626《電磁兼容 試驗和測量技術(shù)》也是一個系列標準，這個標準極其龐大，目前共包含31個現(xiàn)行標準，還有2個即將于2025年6月1日實施，涵蓋了各種抗擾、發(fā)射（傳導及輻射）以及三相電壓不平衡、電能質(zhì)量等方面，感興趣的小伙伴可以去看一下。

1.1 道路車輛ESD標準

針對道路車輛的ESD標準是GB/T 19951-2019 道路車輛電氣電子部件對靜電放電抗擾性的試驗方法，采標ISO 10605；2008 MOD。靜電標準本身其實并不復雜，但是直接看標準，枯燥不說，還很容易看暈。說到底，標準就是對產(chǎn)品測試方法的一些規(guī)定，我整理了一下，如下圖所示，這樣看起來就很清晰了。

靜電放電ESD相關標準（來源：左成鋼《廣義車規(guī)級》）

通過上圖，大家可以對ESD測試可以有個初步的概念。ESD測試，測試狀態(tài)可以分為上電和不上電，放電方式又可以分為直接放電和間接放電，測試方法又可以分為接觸放電和空氣放電，看起來就比較繞，很容易看暈。 

1.2 標準范圍

GB/T 19951標準規(guī)定了車輛電氣/電子部件對裝配、維修過程中及駕乘人員在車內(nèi)外可能產(chǎn)生的靜電放電(ESD)耐受性能的試驗方法，包括部件和整車層面試驗。注意這里的重點，標準包含了整車和零部件，針對的場景包含：零部件的裝配、維修及正常使用（車內(nèi)及車外）。另外，標準適用于M（載客的機動車）、N（載貨的機動車）、O（掛車）、L（兩輪及三輪機動車）類車輛，不限定車輛的動力系統(tǒng)，電動、燃油、混動都適用。

1.3 專業(yè)術(shù)語

介紹標準前，我們先介紹一下相關的專業(yè)術(shù)語，否則到后面很多小伙伴們估計會看不懂。相較于EMC測試，ESD相關的一些術(shù)語并不復雜，大家看一下就明白了。

空氣放電air discharge：將試驗發(fā)生器的充電電極靠近DUT、由作用在DUT上的電弧進行放電的一種試驗方法。

接觸放電contact discharge：試驗發(fā)生器的電極保持與DUT接觸、通過觸發(fā)發(fā)生器內(nèi)的放電開關對DUT進行放電的一種試驗方法。

直接放電direct discharge：直接對DUT實施放電的試驗方法。

間接放電indirect discharge：DUT附近的耦合板實施放電的試驗方法。一般用來模擬人體對DUT附近的物體進行放電。

表面surface：DUT無縫外殼、縫隙或開口。例如翹板開關、觸點、通風孔、揚聲器出聲口。

水平耦合平板horizontal coupling plane(HCP)：位于水平方向、用來模擬對DUT附近物體進行放電的金屬平板。

1.4 試驗條件及設備

試驗時的環(huán)境溫度要求(25±10)℃， 相對濕度20%～60%(推薦20℃和30%相對濕度)，而關于試驗電壓則沒有相應規(guī)定，只需要用戶指定試驗電壓即可。

關于試驗場地，標準要求在滿足環(huán)境條件的實驗室進行即可，也可使用專用場地，如屏蔽室或電波暗室等。另外，標準還提醒說，ESD試驗會產(chǎn)生瞬態(tài)場，會干擾幾米遠的敏感電子設備或接收機，選擇試驗位置時，要給予考慮。這個以前我們自己在測試時也有發(fā)現(xiàn)，試驗過程中，ESD的干擾甚至能讓房間的燈光發(fā)生閃爍。

關于試驗設備，ESD發(fā)生器要求能產(chǎn)生重復頻率至少為10次/s的放電，當2m長的放電回線不夠時(例如，高大的DUT)，可以使用長度不超過3m的電線，但要確保放電電流波形符合要求。ESD發(fā)生器的特性參數(shù)見下表：

ESD發(fā)生器的特性參數(shù)（整理：左成鋼）

從上表可以看出，接觸放電電壓最高通常為15kV，而空氣放電則可高達25kV。另外， ESD發(fā)生器的儲能電容也分為15pF和330pF兩種，放電電阻也分為330Ω和2kΩ兩種，為什么呢？這個標準也給出了解釋，不過是在附錄部分，估計一般情況下大家也不會去看。使用2kΩ電阻試驗是模擬人體直接通過皮膚放電；而使用330Ω電阻試驗，則是模擬人體通過金屬部分放電，比如你拿著工具、鑰匙，或者通過你帶的戒指等進行放電。需要指出的是，使用330Ω電阻試驗要比使用2kΩ電阻試驗更為嚴酷，也就是說，當你拿著金屬物體對DUT進行放電時，對DUT的影響是更大的。因為你拿著金屬，你和金屬物體的接觸面積自然就更大，接觸電阻更小，所以放電電流就更大了，也就更嚴酷了。因為嚴酷程度不同，所以試驗計劃中應規(guī)定試驗中要使用的放電電阻。

放電電極分為兩種，接觸放電和空氣放電的電極是不一樣的，接觸放電一般為不銹鋼材質(zhì)，末端較尖，而空氣放電的電極則較圓，實物及標準對參數(shù)的規(guī)定如下圖所示：

靜電放電電極及其參數(shù)（來源：左成鋼）

根據(jù)標準要求，接觸放電波形及參數(shù)如下圖所示；

接觸放電波形及參數(shù)（整理：左成鋼）

這里再介紹一下HCP水平耦合平板，估計很多小伙伴們在看ESD標準時對這個東西都是挺不能理解的，其實HCP就是一個用來模擬對DUT附近物體進行放電的金屬平板。標準要求HCP和接地/參考平面(GRP)應為金屬板(例如，紫銅，黃銅或鋁等)，最小厚度為0.25 mm。

1.5 放電模式

ESD試驗時有兩種放電方式：接觸放電和空氣放電。下面我就詳細介紹一下兩種放電模式的差異。接觸放電，顧名思義，放電時一定是接觸的，也就是說，在發(fā)生放電之前，ESD發(fā)生器的放電電極的尖端應與DUT接觸，需要注意的是，對于表面涂漆的導電層，如設備制造廠家未說明涂膜為絕緣層，電極尖端應穿透漆膜，與導電層接觸。

而空氣放電則不然，顧名思義就是通過擊穿空氣產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，就像我們冬天去拉門把手時，在沒有摸到門把手就已經(jīng)感覺被電到了，放電是通過空氣進行的，是隔空的，也就是說放電是發(fā)生在接觸之前的。標準要求在空氣放電中，放電電極充電到試驗電壓，然后以規(guī)定的速度接近DUT，當放電尖端足夠接近DUT時，放電尖端和試驗點之間的電介質(zhì)材料被擊穿，通過電弧放電，這就是空氣放電。

應該注意的是，空氣放電過程中，放電電極的接近速度會影響注入電流上升時間和幅度。標準要求接近的速度應為0.1m/s～0.5 m/s，如果大家對這個接近速度沒概念，那么就想一下假如你在做測試，測試距離為20cm，那么最快0.2s也就是200ms就放電了，是不是很快。所以標準為了便于大家操作，也專門說明了實際操作時ESD發(fā)生器應盡可能快地接近DUT直到放電或接觸放電點，只要不把發(fā)生器或者DUT給撞壞了即可，說的很接地氣了。標準原文是這么說的：實際操作時ESD發(fā)生器應盡可能快地接近DUT直到放電發(fā)生或放電尖端接觸放電點，且不會損壞DUT或發(fā)生器。

1.6 空氣放電的特點

相較于接觸放電，在實際應用環(huán)境中，空氣放電更經(jīng)常出現(xiàn)，所以空氣放電能夠更真實的復現(xiàn)ESD現(xiàn)象，或者說采用空氣放電的試驗方法能夠更貼近真實的DUT車載應用場景。空氣放電之所以能夠更真實的模擬實際應用，主要是因為空氣放電可以通過擊穿DUT上絕緣表面，或者通過空氣間隙對DUT產(chǎn)生影響，這些都是空氣放電的優(yōu)勢?？諝夥烹姷牧硪粋€優(yōu)點是放電脈沖非常多，且每個脈沖的電壓幅值與電流的非線性特性都不一樣，這樣就可以最大程度的模擬出實際情況；因為在實際應用中，DUT對每個ESD脈沖的響應是不同的，也就是說，DUT對這個脈沖有反應，對另一個可能就沒反應，而DUT到底對哪個脈沖有反應誰也不知道，DUT對ESD的響應可以說是一個概率性問題。

所以在實際測試中，我們就需要進行長時間、多次的連續(xù)試驗，可能需要施加幾百個空氣放電脈沖，試驗可能需要幾個小時的時間，這樣才能夠全面的評估DUT對ESD的抗擾性。但是凡事總是有其兩面性的，為了驗證DUT對靜電抗擾的響應特性，試驗次數(shù)就必須很多，持續(xù)時間很長，這也成為了空氣放電的缺點。還有就是，因為DUT對ESD激勵的響應不一致性，試驗結(jié)果的復現(xiàn)性將是一個嚴重問題，也就是說，你對DUT進行了多次放電，忽然發(fā)現(xiàn)DUT出現(xiàn)了一種響應，但是接下來你又嘗試了很多次，這種響應卻并沒有再出現(xiàn)，因為DUT對ESD激勵的響應不一致，沒有規(guī)律可循，完全是概率問題，那么你就只好再持續(xù)的進行測試，從而導致試驗時間很長，次數(shù)也很多。

最后總結(jié)一下，空氣放電的主要缺點就是需要進行長時間的連續(xù)試驗，然后才能全面的評估和理解DUT的響應特性，以及該響應出現(xiàn)的概率，最終可能需要施加幾百個脈沖，需要幾個小時的時間。此外，因為DUT對ESD激勵的響應也不一致性，試驗結(jié)果的復現(xiàn)性將成為一個嚴重的問題，從而要求進行更多次的ESD測試以最終確定DUT的性能。

1.7 接觸放電的特點

相較于前面所說的沒有規(guī)律可言、難以復現(xiàn)的空氣放電，接觸放電試驗的復現(xiàn)性則要高得多，也就是說，用接觸放電試驗來模擬真實的ESD現(xiàn)象，非常容易復現(xiàn)出DUT的響應，這是因為實際上施加給DUT的每個脈沖波形基本一致，這是接觸放電的主要優(yōu)點。這個在標準中也能發(fā)現(xiàn)，我們前面也有講到，標準是給出了接觸放電波形的；也就是說，接觸放電的波形是典型的，是可以描述的，但是空氣放電就不行。

因為接觸放電ESD試驗波形具有較高的一致性和復現(xiàn)性，DUT的響應通常也會更好，一致性和重復性當然也好于空氣放電。同時，接觸放電以較自動的方式進行（空氣放電需要一次次的靠近DUT等待電弧放電，而接觸放電則可以讓電極保持與DUT的接觸，連續(xù)進行多次持續(xù)放電），脈沖以相對較快的重復率施加給DUT，和空氣放電相比，速度要快得多。也就是說，試驗不需要很長的時間。所以在實際測試中我們可以發(fā)現(xiàn)，使用接觸放電可以顯著地減少試驗時間，也就可以更快的評估DUT對ESD的敏感度。

但接觸放電也有其局限性，接觸放電要求試驗施加點為導電表面，用接觸放電來模擬ESD的確可以復現(xiàn)實際應用中發(fā)生的ESD現(xiàn)象，但并不能復現(xiàn)ESD現(xiàn)象的所有特性，這也是接觸放電的主要缺點。還有就是，因為試驗中設置的ESD電壓和電流是成比例關系的（這個在前面講接觸放電波形參數(shù)時表中有體現(xiàn)），而實際中出現(xiàn)的ESD的電壓和電流則是非線性的（這個類似于實際應用中的空氣放電）。另外，ESD波形的隨機變化也是不能復現(xiàn)的，所以接觸放電試驗并不能評估DUT對實際施加電壓的所有響應，這些都是接觸放電的缺點。

1.8 DUT通電

DUT通電狀態(tài)下需要進行直接放電和間接放電試驗。

關于直接放電

直接放電可采用接觸或空氣放電直接施加于DUT或可接觸的遠端連接部件，例如開關和按鍵；間接放電為模擬DUT附近導電物體出現(xiàn)的放電，通過外部金屬(例如水平耦合板)施加。需要注意的是，間接放電僅采用接觸放電方式，這是因為考慮到接觸放電之間的時間間隔更小，同時接觸放電也具有更好的復現(xiàn)性，這個前面已經(jīng)講過了，所以間接放電僅使用接觸放電。

按DUT在車輛上的安裝位置，ESD發(fā)生器的電容可選擇330pF或150pF，電阻為330Ω。如不能確定DUT的位置，應僅使用330pF的電容。對導電表面可采用接觸放電電極進行接觸放電，也可對導電表面施加空氣放電。對非導電表面應使用空氣放電電極進行空氣放電。

標準要求，試驗時DUT應與必要的外圍設備相連接，試驗線束的長度應為1.50m～2.50m。直接放電試驗布置如下圖所示：

直接放電試驗布置（整理：左成鋼）

直接放電時，對每一個規(guī)定的試驗電壓和極性，所有的直接放電試驗點應至少施加3次放電。連續(xù)單次放電之間的時間間隔應足夠長(不小于1s)，并確保新的放電之前使電荷消除。

關于間接放電

通過ESD發(fā)生器對水平耦合板施加接觸放電，以模擬放置或安裝在DUT附近的物體進行放電。接觸放電應施加在DUT每側(cè)的水平耦合板HCP上，也就是說ESD脈沖應施加在水平耦合板的邊沿，而HCP的平面內(nèi)部不進行放電，這一點要注意。標準要求，DUT應放置在水平耦合板上，其表面應距水平耦合板上最近的放電點為0.1m。對HCP的邊沿施加放電時，要調(diào)整DUT的位置以保持其表面和水平耦合板的邊沿之間的距離為0.1m。另外，對每一個規(guī)定的試驗電壓和極性，所有的間接放電試驗點應施加放電50次。對HCP的放電，連續(xù)單次放電之間的時間間隔應大于50ms。

標準要求，試驗時DUT應與必要的外圍設備相連接，試驗線束的長度應為1.50m～2.50m。間接放電試驗布置如下圖所示：

間接放電試驗布置（整理：左成鋼）