静电放电模拟器放电回路的设计

　2004年　仪表技术与传感器

2004　静电放电模拟器放电回路的设计

朱长清,刘尚合,魏　明

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄　050003)

摘要:由于分布参数的影响,按集总参数设计的静电放电模拟器难以产生IEC61000-4-2标准规定的静电放电电

流。通过对标准电流波形及给定参数的分析,设计了易于实现的人体-金属模型放电回路。通过模拟仿真,确定了放电回路的具体元件参数。针对分布参数的影响,给出了集总电路元件参数与标准规定的放电电流参数的相对误差灵敏度设计曲线,利用该设计曲线通过对集总元件参数的调整,可获得完全符合标准要求的放电电流。关键词:ESD;模拟器;设计;误差灵敏度中图分类号:O441.1　　文献标识码:A　　文章编号:1002-1841(2004)03-0031-03

DesignofDischargeCircuitforESDZHUChang2qing,LIUSh,(InstituteofElectrostatic&ElectromagneticProtection050003,China)

Abstract:Duetotheeffectofdistributedfordischarge(ESD)simulatorconsistingoflumpedparametertogeneratethecurrentis4-2standard.Byanalyzingtheelectrostaticdischargecurrentwaveformandgivenacircuitcalledhumanbody/metalmodel.Bymeansofsimula2tion,allcertain.Aimedattheeffectofdistributedparameters,haveofferedagroupofdesigncurvethatofthelumpedparametertoeveryparameterofdischargecurrent.Bymeansoftheclusterofcurveabletothelumpedparametersuntilthesimulatorgeneratethedischargecurrentbeinguptothestandard.KeyWords:ES;Simulator;Design;ErrorSensitivity

1　引言

静电放电的危害相当普遍。化工、纺织、火工品生产、集成电路制造等领域尤为严重,静电放电引致的燃烧、爆炸事故造成了严重的人员伤亡和大量财产的损失。据美国贝尔实验室的估计,只全球集成电路制造业一项,每年因静电放电造成的损失就高达上百亿美元。因此各国对易发生静电放电危害场合所使用的仪器设备都制定了严格的防静电标准。国际电工委员会在IEC61000-4-2标准中详细规定了设备对静电放电(ESD)抗扰性测试的具体要求,而ESD模拟器成为测试的关键设备,其中的放电回路是设备的核心。由于ESD模拟器放电回路的结构形成的分布参数对设备的性能影响很大,所以放电回路的设计有一定的难度。现给出一种易于实现的电路,并为结构设计提供必要的参数要求。

图2　IEC61000-4-2规定的ESD电流波形

表1　电流波形参数

放电电压

/kV2468

电流峰值±10%

/A71515221530

上升时间,

tr/ns

30ns时电60ns时电

流±30%

/A48

流±30%

/A2468

2　静电放电回路设计

IEC61000-4-2标准给出了ESD模拟器的简化框图,如图1所示,并规定了ESD模拟的两项主要性能参数

:

017～1101216

显然,将储能电容、放电回路电阻按集总参数设计的模拟

器,无论分布参数如何考虑,其放电电流都不能满足标准中规

图1　ESD模拟器简化框图

(1)能够产生图2所示的静电放电电流波形,并满足表1

定的要求。

IEC61000-4-2标准中给出的静电放电情况来源于对人体静电入电的模拟,因此可以用人体静电放电的模型电路来设计ESD模拟器的放电回路。图3是人体静电放电的人体-金属模型。其中C1、R1、L1分别为人体电容、电阻及电感;C2、

R2、L2分别为手、前臂及手持小金属物体的电容、电阻及电感。

规定的波形参数要求;

(2)ESD模拟器的放电回路中,储能电容Cs+Cd(Cd是分布电容)为(150±10%)pF;放电回路电阻Rd为(330±10%)Ω

.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50077024);重点资助项目

(50237040)

若将C1看作是储能电容Cs,C2作为分布电容Cd,将模拟器放电回路电阻Rd分为R1和R2,L1作为R1的分布电感,L2作为

R2的分布电感与放电模拟器放电端电感之和。图3所示的人

收稿日期:2003-05-09　　收修改稿日期:2003-10-27

　32　　

体-金属模型就可作为模拟器的放电回路,但其放电电流i(t)应与IEC61000-4-2标准中规定的一致,且满足表1规定的波形参数,电路参数应满足:

R1+R2=(330±10%)Ω

(1)

C1+C2=(150±10%)pF

3　放电回路参数计算

首先设定回路的参数为一初始值,计算出放电电流i(t),

然后根据放电电流的波形参数仔细调整回路参数,直至使放电电流i(t)符合规定要求,则此时的回路参数就是所设计的回路参数,如其满足式(1)规定的条件,则达成设计要求。

根据基尔霍夫电压和电流定律,从图3中得到

duC(t)=-i

dtC11

duC(t)dt

=C2

i1-图4　静电放电电流波形

表2　人体-金属模型电流波形参数

放电电压/kV248

电流峰值相对误差上升时间30ns时相对误差60ns时电流相对误差/A7149352141987222908

-01086

/(%)

/ns

电流/A418771155

/(%)/A1199686

/(%)

+0319937351990597198746

-01157

C2

i

(2)

()=uC-uC-idtL11L12L11=2i

dt:116‰。其

,-01086%,远小于±10%的误差要求;上升沿01830ns亦在017～110ns的范围之内;30ns时的电流相对误差为01047%,60ns时的电流相对误差为-01157%,均远小于规定的±30%。电路的各个参数也均符合IEC61000-4-2规定之要求,所以说图3所示的电路用作静电放电模拟器的放电回路是完全符合要求的。

4　回路参数灵敏度

图3　静电放电的人体-金属模型

模型中参数的数量级相差很大,无法得到微分方程组(2)

的确切解析表达式,因此不便于分析各参量的灵敏度,只能通过数值来进行分析。微分方程组(2)中没有独立的电压源和独立电流源,利用4阶Runge-Kutta法解方程组时的计算公式为

(k+2k2m+2k3m+k4m)ym(n+1)=ym(n)+

61m

k1m=Δtym(y1n,y2n,y3n,y4n)

k2m=Δtym(y1n+k3m=Δtym(y1n+

k11,y2n+k12,y3n+k13,y4n+k)222214k,y+k,y+k,y+k)2212n2223n2234n224

(3)

k4m=Δtym(y1n+k31,y2n+k32,y3n+k33,y4n+k34)

式中ym(m=1,2,3,4)分别对应于uC1(t),uC2(t),i1(t),i(t)。当储能电容充电完成后,电容C1和C2被充电至放电电压U0。即uC1(0)=uC2(0)=U0。

计算初始值的选取:

因为放电电流的第一个峰值主要是由电容C2通过L2、R2

放电形成,其上升沿主要由C2和L2决定,上升时间tr≈

LC,取C2=10pF,上升时间取0185ns,考虑R2的影响,取L2

模拟器放电回路的各个参数对放电电流的灵敏度很高,因此分布参数的影响很严重。为了便于设计,给出了各参数对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线如图5所示。

图5(a)是回路前端电感L1对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线。从中可以看出,L1的变化主要影响60ns和30ns时的电流值,对波形的上升沿和最大峰值电流没有多大影响。图5(b)是储能电容C1对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线。C1的变化同样主要影响60ns和30ns时的电流值,在较大的变化范围内对波形的上升沿和最大峰值电流没有影响。图5(c)是回路前端电阻R1对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线。R1主要影响30ns时的电流值,在较大的变化范围内对波形的上升沿和最大峰值电流没有影响,对60ns时电流值的灵敏度也很低。图5(d)放电回路后端电阻R2对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线。从中可以看出,R2除对60ns时的电流值影响较小外,对波形的其他参数均有严重的影响。由于该电阻包括模拟器放电外回路的电阻,使用模拟器的方式对测试结果有关键性的影响。图5(e)是分布储能电容C2对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线。C2主要决定放电电流的峰值及波形的上升时间,对波形的宽度影响不大。图5(f)是放电外回路电感L2对放电电流波形参数的相对误差灵敏度曲线。L2主要影响放电电流的上升时间,对放电峰值电流的影响次之,几乎对60ns时的电流值和30ns时的电流值不产生影响。　　综上所述,虽然IEC61000-4-2标准中规定某些放电电流波形参数的允许误差高达±30%,但ESD模拟器的放电电流对放电回路参数的灵敏度很高,考虑到分布参数带来的影响,必须仔细调整各个集总元件参数的大小。

=011μH,这样C1=Cs-C2=140pF,并取R1=165Ω,L1=1μH,R2=165Ω,U0=4000V作为初始值进行计算,然后根据计

算结果仔细调整各参数值。

当C1=140pF,R1=171Ω,L1=118μH,C2=10pF,R2=170Ω,L2=01154μH,U0=4000V时得到图4所示符合IEC61000-4-2规定之要求的静电放电电流波形,其主要参数如表2所示。

　33　　

(c)　R1

对放电电流波形参数的相对误差

(a)　L1

对放电电流波形参数的相对误差

(b)　C1

对放电电流波形参数的相对误差

(d)　R2

对放电电流波形参数的相对误差

(e)　C

(f)　L2对放电电流波形参数的相对误差

5各参数对放电电流波形参数的相对误差

5　结论

根据4-标准规定的静电放电电流波形,设计

完成了易于实现的电路结构,并给出了各电路元件参数的相对误差灵敏度。电路已在实际的检定测试中得到应用,需要特别注意的是ESD模拟器的使用方式对测试结果有关键性的影响。

参考文献

[1]　刘尚合,魏光辉,刘直承,等.静电理论与防护.北京:兵器工业出

版社,1999:188.

[2]　InternationalstandardIEC61000-4-2,Edition112.2001.

[3]　魏明,刘尚合,武占成,等.ESD模拟器电流校验研究.仪表技术与

传感器,1999(3):33.

[4]　DAVIDP,MARTINA.ESD:waveformcalculation,fieldandcurrentof

humanandsimulatorESD.J.Electrostatics,1996(38):31.

[5]　KANAGAWA.ESDsimulatorESSseriesbrochure.NoiseLaboratoryCo.,

Ltd.,Japan.

(上接第19页)

使用多线程技术实现。程序基于对话框开发,界面简洁、易操作。主要界面有主对话框、串口参数设置对话框和曲线显示对话框等。上位机数据接收程序流程图如图4

。

铝电解槽的检测、控制水平,提高铝电解槽的电流效率[8]。　　设计的传感器没有考虑插入角度的影响,用便携式仪表人工测量时,需要人为校正测量结果,这一点将在下一代测量系统中改善。

致谢:感谢青铜峡铝厂吴连成、常玉杰等同志在现场测量过程中的大力支持。

参考文献

[1]　GILBERTGF,ROBERTGN,JOSEPHNR.Reductioncellcontroltech2

nology.LightMetals,1998:331-339

[2]　ZENGSP,LIUYX,MEIC.Mathematicalmodelforcontinuousdetection

ofcurrentefficiencyinaluminumproduction.trans.NonferrousMet.Soc.China1998,8(4):683-687.

[3]　OLIVIERPB,HOMSIP.Thepechineysemi2continuous&automaticmea2

surementdevice.LightMetals,1999:303-316.

[4]　GUNNARAG.Automaticdeterminationofheightinelectrolysiscells.

LightMetals,1999:297-302.

[5]　曾水平,张秋萍,张会香.铝电解槽温度的模糊模式识别.模式识

别与人工智能,2001,14(4):466-469.

5　结束语

提出了测量熔体高度的新方法,经初步实验表明:可以用于

工业生产过程中,并且设计的系统实现了测温与测高度的结合,提高了铝电解生产过程中的测量速度,降低了测量成本和测量的劳动强度。系统固定在电解槽上可进一步提高测量精度,并可把测量值及时地传到控制系统,与现在的控制系统集成,提高

[6]　ROLSETHS,VERSTREKENP,KOBBELTVEDTO.Liquidustemperature

determinationinmoltensalts.LightMetals,1998:359-365.

[7]　ZENGSP,ZHANGDY.On2linemeasurementofcrystallizedtemperature

formeltedsubstances.ProceedingsofICHNM2002,2002,4:628-631.[8]　ZENGSP,ZHANGQP,DINGWA.Effectofcurrentdistributiononcur2

rentefficiencyin160kAprebakecellsLightMetals,2002:503-509.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bb61.html