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(biāo)準(zhǔn)概述（強(qiáng)標(biāo)及推薦性標(biāo)準(zhǔn)）

二：電氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)簡介（GB/T 28046即ISO 16750）

三：電氣負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)及測試（GB/T 28046.2即ISO 16750-2）

四：機(jī)械負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)及測試（GB/T 28046.3即ISO 16750-3）

五：氣候負(fù)荷、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及測試（GB/T 28046.4即ISO 16750-4）

六：EMC標(biāo)準(zhǔn)及測試1-8（傳導(dǎo)及輻射，干擾及抗干擾）

書接前文，前面已經(jīng)介紹了關(guān)于ECU靜電放電ESD的基礎(chǔ)知識，包括ESD產(chǎn)生的原因，如何防護(hù)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及測試要求等；同時基于測試要求，又介紹了相關(guān)的設(shè)計原理及端口防護(hù)器件，本篇文章將重點介紹靜電（ESD）抗擾的相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(rèn)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(shè)計與開發(fā)實踐》，由機(jī)械工業(yè)出版社于2024年6月份出版，節(jié)選時進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)

1.1道路車輛ESD標(biāo)準(zhǔn)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)范圍

1.3 專業(yè)術(shù)語

1.4試驗條件及設(shè)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)總結(jié)

01、靜電放電ESD標(biāo)準(zhǔn)

之前我們在講GB/T 18655標(biāo)準(zhǔn)時提到過，標(biāo)準(zhǔn)都是從大到小的，比如我們現(xiàn)在講的道路車輛的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，上面一定還有比他更大的一個標(biāo)準(zhǔn)，通常都是涵蓋所有電氣和電子設(shè)備的。大的標(biāo)準(zhǔn)再逐漸往下細(xì)化，比如細(xì)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(biāo)準(zhǔn)即可，如無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，再去參考其他國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于ESD（Electrostatic Discharge）的通用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)前文其實也提到了，不知道大家留意到?jīng)]有，這個標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備ESD測試的通用標(biāo)準(zhǔn)，采標(biāo)IEC 61000-4-2；2008 IDT。IEC 61000也是一個通用的EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)極其龐大，目前共包含31個現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)

針對道路車輛的ESD標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)ISO 10605；2008 MOD。靜電標(biāo)準(zhǔn)本身其實并不復(fù)雜，但是直接看標(biāo)準(zhǔn)，枯燥不說，還很容易看暈。說到底，標(biāo)準(zhǔn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)范圍

GB/T 19951標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)適用于M（載客的機(jī)動車）、N（載貨的機(jī)動車）、O（掛車）、L（兩輪及三輪機(jī)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(biāo)準(zhǔn)前，我們先介紹一下相關(guān)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(guān)的一些術(shù)語并不復(fù)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(jìn)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(guān)對DUT進(jìn)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(jìn)行放電。

表面surface：DUT無縫外殼、縫隙或開口。例如翹板開關(guān)、觸點、通風(fēng)孔、揚(yáng)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(jìn)行放電的金屬平板。

1.4 試驗條件及設(shè)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(guān)于試驗電壓則沒有相應(yīng)規(guī)定，只需要用戶指定試驗電壓即可。

關(guān)于試驗場地，標(biāo)準(zhǔn)要求在滿足環(huán)境條件的實驗室進(jìn)行即可，也可使用專用場地，如屏蔽室或電波暗室等。另外，標(biāo)準(zhǔn)還提醒說，ESD試驗會產(chǎn)生瞬態(tài)場，會干擾幾米遠(yuǎn)的敏感電子設(shè)備或接收機(jī)，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(guān)于試驗設(shè)備，ESD發(fā)生器要求能產(chǎn)生重復(fù)頻率至少為10次/s的放電，當(dāng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yán)酷，也就是說，當(dāng)你拿著金屬物體對DUT進(jìn)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(yán)酷了。因為嚴(yán)酷程度不同，所以試驗計劃中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行放電的金屬平板。標(biāo)準(zhǔn)要求HCP和接地/參考平面(GRP)應(yīng)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(xì)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(yīng)與DUT接觸，需要注意的是，對于表面涂漆的導(dǎo)電層，如設(shè)備制造廠家未說明涂膜為絕緣層，電極尖端應(yīng)穿透漆膜，與導(dǎo)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(jìn)行的，是隔空的，也就是說放電是發(fā)生在接觸之前的。標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)要求接近的速度應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)原文是這么說的：實際操作時ESD發(fā)生器應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)用場景?？諝夥烹娭阅軌蚋鎸嵉哪M實際應(yīng)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(yīng)用中，DUT對每個ESD脈沖的響應(yīng)是不同的，也就是說，DUT對這個脈沖有反應(yīng)，對另一個可能就沒反應(yīng)，而DUT到底對哪個脈沖有反應(yīng)誰也不知道，DUT對ESD的響應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)不一致性，試驗結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性將是一個嚴(yán)重問題，也就是說，你對DUT進(jìn)行了多次放電，忽然發(fā)現(xiàn)DUT出現(xiàn)了一種響應(yīng)，但是接下來你又嘗試了很多次，這種響應(yīng)卻并沒有再出現(xiàn)，因為DUT對ESD激勵的響應(yīng)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(jìn)行測試，從而導(dǎo)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(jìn)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(yīng)特性，以及該響應(yīng)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(yīng)也不一致性，試驗結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性將成為一個嚴(yán)重的問題，從而要求進(jìn)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(fù)現(xiàn)的空氣放電，接觸放電試驗的復(fù)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(fù)現(xiàn)出DUT的響應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)中也能發(fā)現(xiàn)，我們前面也有講到，標(biāo)準(zhǔn)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(fù)現(xiàn)性，DUT的響應(yīng)通常也會更好，一致性和重復(fù)性當(dāng)然也好于空氣放電。同時，接觸放電以較自動的方式進(jìn)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(jìn)行多次持續(xù)放電），脈沖以相對較快的重復(fù)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(dǎo)電表面，用接觸放電來模擬ESD的確可以復(fù)現(xiàn)實際應(yīng)用中發(fā)生的ESD現(xiàn)象，但并不能復(fù)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(shè)置的ESD電壓和電流是成比例關(guān)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(yīng)用中的空氣放電）。另外，ESD波形的隨機(jī)變化也是不能復(fù)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(yīng)，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(jìn)行直接放電和間接放電試驗。

關(guān)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(yuǎn)端連接部件，例如開關(guān)和按鍵；間接放電為模擬DUT附近導(dǎo)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(fù)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(yīng)僅使用330pF的電容。對導(dǎo)電表面可采用接觸放電電極進(jìn)行接觸放電，也可對導(dǎo)電表面施加空氣放電。對非導(dǎo)電表面應(yīng)使用空氣放電電極進(jìn)行空氣放電。

標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗時DUT應(yīng)與必要的外圍設(shè)備相連接，試驗線束的長度應(yīng)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(yīng)至少施加3次放電。連續(xù)單次放電之間的時間間隔應(yīng)足夠長(不小于1s)，并確保新的放電之前使電荷消除。

關(guān)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(jìn)行放電。接觸放電應(yīng)施加在DUT每側(cè)的水平耦合板HCP上，也就是說ESD脈沖應(yīng)施加在水平耦合板的邊沿，而HCP的平面內(nèi)部不進(jìn)行放電，這一點要注意。標(biāo)準(zhǔn)要求，DUT應(yīng)放置在水平耦合板上，其表面應(yīng)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(yīng)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(yīng)大于50ms。

標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗時DUT應(yīng)與必要的外圍設(shè)備相連接，試驗線束的長度應(yīng)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）