一、引言

 

产品在做电磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility简称EMC）测试或者认证时，静电放电（Electro-Magnetics-Static Discharge简称ESD）是一项重要且必须符合各国或地区的非常重要指标，某些特定场合使用的设备在有些情况下，大到一个大城市或者国家的核心数据机房、再到密切关联的移动互联网服务公司的数据交换中心或者是企业学校内部的中心服务器机房，里面都是连接下游成千上万的终端用户，所以必须确保核心设备24小时在线不能有任何的错误或者中断发生，核心端一个小小的中断，影响的就是灾难性的，尤其是现在的互联网社会，如果核心设备发生小小的一个中断，你会突然发现微信和支付宝等及时支付功能不能扫码支付了、共享单车不能联网了、打车软件叫不到车了，一切本来习以为常的日常生活一下子就被打乱了，甚至要回到十几年前纸币时代，我给它定义一个新名词叫“互联网质量”。所以设备在维护时不能关机而且必须确保设备能够正常工作不受任何的影响，尤其是静电的危害，静电是机房里面的常客，到处是电子设备，静电随处可见，因此，在这种特殊要求下，设备在进行维护保养的操作过程中，一定要打开某些设备进行带电操作，而且要确认设备不能够受到任何干扰，所以设备制造商在技术开发阶段必须要对设备进行静电放电测试试验，以确保设备在正常工作和维护保养两种工作模式下都能够经受住静电的干扰而保证设备能够正常运行，图1到图4比较直观的理解同一台电子通讯设备在做标准静电测试和维护保养静电测试二者的不同和差异。

 

 

图1-1 测试设备整体照片

 

 

图1-2 测试设备打开内部照片

 

 

图1-3标准静电测试示意图

 

 

图1-4 开盖维护保养静电测试示意图

 

以上可以了解静电对于设备质量提高的重要性，然而在产品实际开发设计过程中，往往会遇到一个非常棘手的问题，即对设备进行静电抗扰度测试时，按照国际标准要求接触放电电压+-8kV空气放电电压+-15kV，设备在正常工作模式下，接触放电和空气放电都合格，设备能够经受住静电的冲击不受干扰而且工作一切正常，但是打开壳体后在同样的测试条件和环境下静电测试，结果是不合格，严重的会导致设备死机甚至永久性损坏。

 

为什么同一台设备在相同的环境和条件下测试静电会得到截然想法的结果？怎么加大设备的抗干扰能力，提升设备的质量？要想解决这个问题，首先需要大胆假设，然后需要仔细认真的理论分析，最后用实际验证和数据支撑的一套科学的试验方法。

 

二、方法论

 

同一台设备，同样测试环境，同样的静电放电等级和方式，唯一不一样的就是设备的壳体一个是封闭状态，一个是打开状态。这让我想到一个日常生活中每个人都有过而且是常见的一个现象，日常我经常用手机或者一个小型便携式音箱听歌或者听收音机，两个场景：一是在外面的开阔地时候，二是走进楼道的时候，我很明显的发现，当我从外面走进楼道的一瞬间，音箱的音量好像突然增大很多，然而我并没有调高设备本身的音量，所以这就是楼道形成一个腔体，而声音本身就是一个能量波，这个能量波在楼道腔体这个小范围内部多次反射并形成共振增强了能量的效果，所以我根据音频放大这个现象大胆假设：既然静电是一个高频能量，那如果给静电一个同样的腔体，是不是也同样存在一样的共振和增强呢？腔体结构壳体对静电会不会像对声音一样就像一个放大器，会将静电耦合电压增强并叠加，导致设备测试不合格？

 

为了证明我的猜想即腔体结构的耦合和放大功能是存在而且正确的，必须用科学的方法来论证腔体静电效应。我将用理论分析、数学建模、实验室验证、数据收集对比这一套科学的方法来指导并执行接下来的所有工作。

 

首先看一下共振原理基础知识LC螺旋振荡器原理公式。

 

 

从伦兹定律可以看出电感L和电容C是产生频率的的重要因数，我做一个试验，如果把电路中的L也就是电感不变，而C也就是电容值逐渐变小，我可以用示意图来表示一下他们之间的关系：图2-1电容为标准值，图2-2电容值很小，图2-3电容值没有。

 

 

图2-1 LC标准电路

 

 

图2-2 LC电路电容很小

 

 

图2-3 LC电路没有电容

 

 

根据公式可以看出，当L不变，C趋向很小的时候，频率就会很高，理论趋向无限大，当然现实中不可能，因为有各种衰减因子存在。那如果我把电容换成两个更大的平行的金属平板，会有什么样效果产生呢？

 

 

图2-4 LC标准电路

 

 

 图2-5 LC电路电感很小

 

 

图2-6 LC电路电感很大

 

当电感很小，产生的电场很少，图2-5中用一个磁力线来表示，当电感很大，产生的电场就会大，图2-6中用多跟磁力线来表示。我进一步把两个平行的平板四周加上一圈，让它形成一个腔体，会产生什么样的神奇效果呢？我进一步分析：

 

 

图2-7 圆柱腔体结构

 

 

 图2-8 电场线和磁场线

 

 

图2-9 腔体电场和磁场

 

当一个腔体形成后，两种情况：直流的时候没有磁场B，只有电场E；交流的时候磁场和电场交替存在。在四周的腔壁上没有电场，但是在腔体内部越往中心电场强度越强。那如果有线束通过腔体会有什么影响呢？

 

 

图2-10 线束通过腔体上下盖

 

 

 图2-11 线束通过腔体四壁

 

当线束通过腔体上下盖的时候，由于腔体内部上下盖上布满电荷，所以线束会被耦合到电压；另一种情况，当线束通过腔体四壁的时候，周围都是磁力线，磁力线的变化会耦合磁场也就是电流到线束上。再来一个问题，如果圆柱体换成方形结构呢？同样也会产生电场和磁场。

 

 

图2-12 方形结构腔体

 

理论分析之后，我需要根据这一套理论设计一个测试模型进一步验证这种腔体结构的壳体对静电耦合和放大效应的存在，所以我设计下面两套测试系统模型图。

 

 

图2-13腔体结构壳体设备模型图

 

 

 图2-14无腔体结构壳体设备测试模型

 

三、试验验证

 

接下来基于实际样品的结构我加工制作了基于测试模型的原型样机，图3-1. 两套用于比对测试的实验样机壳体。

 

 

图3-1腔体结构壳体实物图

 

 

 图3-2无腔体结构壳体实物图

 

壳体加工完成，我把同一设备线路板和模块安装在这两套不同的结构壳体中得到以下两张实物图片。

 

 

      图3-3腔体结构设备组装实物图

 

 

  图3-4无腔体结构设备组装实物图

 

按照实现的安排，测试环境，测试等级，测试设备等等必须全部一致，在相同测试环境和测试方法下，对两套实验样机同时施加接触放电+8kV的电压，然后通过示波器测量得到图3-5和图3-6波形和具体测量耦合电压值得图3-7和图3-8。从测量波形和测量数据表对比可以看出，在相同的静电放电条件下，有腔体结构的壳体静电耦合测量值为峰峰值0.56V，无腔体结构的壳体静电耦合测量值为峰峰值0.06V。

 

 

 图3-5腔体结构示波器测量耦合电压波形

 

 

 图3-6无腔体结构示波器测量耦合电压波形

 

 

  图3-7腔体结构示波器测量耦合电压值

 

 

 图3-8无腔体结构示波器测量耦合电压值

 

结论

 

本文通过一个设备在技术开发阶段遇到的质量问题，由此展开本文的论题研究，用科学的论证方法，实事求是的试验精神，从开始的发现问题，提出问题，再到后面寻找理论依据，设计测试方案，最后加工测试样机，当一切都准备完备，只差最后一步试验验证，当把之这一套流程走时已经历时两年，功夫不负有心人，最后得到了预期的测试验证结果，比较两种模式：腔体结构的电压耦合量是无腔体结构的9.34倍，由此可以得出我的结论腔体结构对静电电荷有很大的耦合功功能和放大的结论。

 

本文参考文献：

 

[1] Feynman, Lectures on Physics, Vol 2

[2] Dr. Ray Kwok, Cavity Resonators, Lectures