作者 | 左成钢
出品 | 汽车电子与软件
前言：
本文是《ECU的车规级试验》系列文章（点击可查看全部文章）。
一：标准概述（强标及推荐性标准）
二：电气环境标准简介（GB/T 28046即ISO 16750）
三：电气负荷标准及测试（GB/T 28046.2即ISO 16750-2）
四：机械负荷标准及测试（GB/T 28046.3即ISO 16750-3）
五：气候负荷、防护标准及测试（GB/T 28046.4即ISO 16750-4）
六：EMC标准及测试1-8（传导及辐射，干扰及抗干扰）
书接前文，前面已经介绍了关于ECU静电放电ESD的基础知识，包括ESD产生的原因，如何防护、相关标准及测试要求等；同时基于测试要求，又介绍了相关的设计原理及端口防护器件，本篇文章将重点介绍静电（ESD）抗扰的相关试验标准及DV测试。
文中所有测试项目均配有真实的DV试验照片，包含测试设备、样品、测试Setup、测试限值及结果判定等，帮助大家对DV试验有一个更深刻的了解和认知。在此特别感谢CVC威凯检测技术提供的试验室技术支持和测试照片。
*注：本文部分内容节选自作者新书《广义车规级电子元器件可靠性设计与开发实践》，由机械工业出版社于2024年6月份出版，节选时进行了改编。本文内容较多，建议大家收藏阅读。
本文目录如下：
1. 静电放电ESD标准
1.1道路车辆ESD标准
1.2 标准范围
1.3 专业术语
1.4试验条件及设备
1.5放电模式
1.6空气放电的特点
1.7接触放电的特点
1.8 DUT通电
1.9 DUT不通电
1.10 DUT表面的影响
1.11功能要求
1.12整车试验方法
1.13 试验的严酷等级
2. ESD的DV测试
2.1 DV试验等级及要求
2.2 ESD的DV试验布置
2.3 结果判定
3. ESD试验标准总结
01、静电放电ESD标准
之前我们在讲GB/T 18655标准时提到过，标准都是从大到小的，比如我们现在讲的道路车辆的相关标准，上面一定还有比他更大的一个标准，通常都是涵盖所有电气和电子设备的。大的标准再逐渐往下细化，比如细化到汽车行业，就是道路车辆。汽车行业无论是整车还是零部件，都参考道路车辆标准即可，如无相关标准，再去参考其他国家标准或行业标准。
关于ESD（Electrostatic Discharge）的通用行业标准前文其实也提到了，不知道大家留意到没有，这个标准就是GB/T 17626.2-2018 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验。这是一个针对电子电气设备ESD测试的通用标准，采标IEC 61000-4-2；2008 IDT。IEC 61000也是一个通用的EMC国际标准，其中IEC 61000-4-2是专门针对ESD测试的。GB/T 17626《电磁兼容 试验和测量技术》也是一个系列标准，这个标准极其庞大，目前共包含31个现行标准，还有2个即将于2025年6月1日实施，涵盖了各种抗扰、发射（传导及辐射）以及三相电压不平衡、电能质量等方面，感兴趣的小伙伴可以去看一下。
1.1 道路车辆ESD标准
针对道路车辆的ESD标准是GB/T 19951-2019 道路车辆电气电子部件对静电放电抗扰性的试验方法，采标ISO 10605；2008 MOD。静电标准本身其实并不复杂，但是直接看标准，枯燥不说，还很容易看晕。说到底，标准就是对产品测试方法的一些规定，我整理了一下，如下图所示，这样看起来就很清晰了。
静电放电ESD相关标准（来源：左成钢《广义车规级》）
通过上图，大家可以对ESD测试可以有个初步的概念。ESD测试，测试状态可以分为上电和不上电，放电方式又可以分为直接放电和间接放电，测试方法又可以分为接触放电和空气放电，看起来就比较绕，很容易看晕。
1.2 标准范围
GB/T 19951标准规定了车辆电气/电子部件对装配、维修过程中及驾乘人员在车内外可能产生的静电放电(ESD)耐受性能的试验方法，包括部件和整车层面试验。注意这里的重点，标准包含了整车和零部件，针对的场景包含：零部件的装配、维修及正常使用（车内及车外）。另外，标准适用于M（载客的机动车）、N（载货的机动车）、O（挂车）、L（两轮及三轮机动车）类车辆，不限定车辆的动力系统，电动、燃油、混动都适用。
1.3 专业术语
介绍标准前，我们先介绍一下相关的专业术语，否则到后面很多小伙伴们估计会看不懂。相较于EMC测试，ESD相关的一些术语并不复杂，大家看一下就明白了。
空气放电air discharge：将试验发生器的充电电极靠近DUT、由作用在DUT上的电弧进行放电的一种试验方法。
接触放电contact discharge：试验发生器的电极保持与DUT接触、通过触发发生器内的放电开关对DUT进行放电的一种试验方法。
直接放电direct discharge：直接对DUT实施放电的试验方法。
间接放电indirect discharge：DUT附近的耦合板实施放电的试验方法。一般用来模拟人体对DUT附近的物体进行放电。
表面surface：DUT无缝外壳、缝隙或开口。例如翘板开关、触点、通风孔、扬声器出声口。
水平耦合平板horizontal coupling plane(HCP)：位于水平方向、用来模拟对DUT附近物体进行放电的金属平板。
1.4 试验条件及设备
试验时的环境温度要求(25±10)℃， 相对湿度20%～60%(推荐20℃和30%相对湿度)，而关于试验电压则没有相应规定，只需要用户指定试验电压即可。
关于试验场地，标准要求在满足环境条件的实验室进行即可，也可使用专用场地，如屏蔽室或电波暗室等。另外，标准还提醒说，ESD试验会产生瞬态场，会干扰几米远的敏感电子设备或接收机，选择试验位置时，要给予考虑。这个以前我们自己在测试时也有发现，试验过程中，ESD的干扰甚至能让房间的灯光发生闪烁。
关于试验设备，ESD发生器要求能产生重复频率至少为10次/s的放电，当2m长的放电回线不够时(例如，高大的DUT)，可以使用长度不超过3m的电线，但要确保放电电流波形符合要求。ESD发生器的特性参数见下表：
ESD发生器的特性参数（整理：左成钢）
从上表可以看出，接触放电电压最高通常为15kV，而空气放电则可高达25kV。另外， ESD发生器的储能电容也分为15pF和330pF两种，放电电阻也分为330Ω和2kΩ两种，为什么呢？这个标准也给出了解释，不过是在附录部分，估计一般情况下大家也不会去看。使用2kΩ电阻试验是模拟人体直接通过皮肤放电；而使用330Ω电阻试验，则是模拟人体通过金属部分放电，比如你拿着工具、钥匙，或者通过你带的戒指等进行放电。需要指出的是，使用330Ω电阻试验要比使用2kΩ电阻试验更为严酷，也就是说，当你拿着金属物体对DUT进行放电时，对DUT的影响是更大的。因为你拿着金属，你和金属物体的接触面积自然就更大，接触电阻更小，所以放电电流就更大了，也就更严酷了。因为严酷程度不同，所以试验计划中应规定试验中要使用的放电电阻。
放电电极分为两种，接触放电和空气放电的电极是不一样的，接触放电一般为不锈钢材质，末端较尖，而空气放电的电极则较圆，实物及标准对参数的规定如下图所示：
静电放电电极及其参数（来源：左成钢）
根据标准要求，接触放电波形及参数如下图所示；
接触放电波形及参数（整理：左成钢）
这里再介绍一下HCP水平耦合平板，估计很多小伙伴们在看ESD标准时对这个东西都是挺不能理解的，其实HCP就是一个用来模拟对DUT附近物体进行放电的金属平板。标准要求HCP和接地/参考平面(GRP)应为金属板(例如，紫铜，黄铜或铝等)，最小厚度为0.25 mm。
1.5 放电模式
ESD试验时有两种放电方式：接触放电和空气放电。下面我就详细介绍一下两种放电模式的差异。接触放电，顾名思义，放电时一定是接触的，也就是说，在发生放电之前，ESD发生器的放电电极的尖端应与DUT接触，需要注意的是，对于表面涂漆的导电层，如设备制造厂家未说明涂膜为绝缘层，电极尖端应穿透漆膜，与导电层接触。
而空气放电则不然，顾名思义就是通过击穿空气产生的放电现象，就像我们冬天去拉门把手时，在没有摸到门把手就已经感觉被电到了，放电是通过空气进行的，是隔空的，也就是说放电是发生在接触之前的。标准要求在空气放电中，放电电极充电到试验电压，然后以规定的速度接近DUT，当放电尖端足够接近DUT时，放电尖端和试验点之间的电介质材料被击穿，通过电弧放电，这就是空气放电。
应该注意的是，空气放电过程中，放电电极的接近速度会影响注入电流上升时间和幅度。标准要求接近的速度应为0.1m/s～0.5 m/s，如果大家对这个接近速度没概念，那么就想一下假如你在做测试，测试距离为20cm，那么最快0.2s也就是200ms就放电了，是不是很快。所以标准为了便于大家操作，也专门说明了实际操作时ESD发生器应尽可能快地接近DUT直到放电或接触放电点，只要不把发生器或者DUT给撞坏了即可，说的很接地气了。标准原文是这么说的：实际操作时ESD发生器应尽可能快地接近DUT直到放电发生或放电尖端接触放电点，且不会损坏DUT或发生器。
1.6 空气放电的特点
相较于接触放电，在实际应用环境中，空气放电更经常出现，所以空气放电能够更真实的复现ESD现象，或者说采用空气放电的试验方法能够更贴近真实的DUT车载应用场景。空气放电之所以能够更真实的模拟实际应用，主要是因为空气放电可以通过击穿DUT上绝缘表面，或者通过空气间隙对DUT产生影响，这些都是空气放电的优势。空气放电的另一个优点是放电脉冲非常多，且每个脉冲的电压幅值与电流的非线性特性都不一样，这样就可以最大程度的模拟出实际情况；因为在实际应用中，DUT对每个ESD脉冲的响应是不同的，也就是说，DUT对这个脉冲有反应，对另一个可能就没反应，而DUT到底对哪个脉冲有反应谁也不知道，DUT对ESD的响应可以说是一个概率性问题。
所以在实际测试中，我们就需要进行长时间、多次的连续试验，可能需要施加几百个空气放电脉冲，试验可能需要几个小时的时间，这样才能够全面的评估DUT对ESD的抗扰性。但是凡事总是有其两面性的，为了验证DUT对静电抗扰的响应特性，试验次数就必须很多，持续时间很长，这也成为了空气放电的缺点。还有就是，因为DUT对ESD激励的响应不一致性，试验结果的复现性将是一个严重问题，也就是说，你对DUT进行了多次放电，忽然发现DUT出现了一种响应，但是接下来你又尝试了很多次，这种响应却并没有再出现，因为DUT对ESD激励的响应不一致，没有规律可循，完全是概率问题，那么你就只好再持续的进行测试，从而导致试验时间很长，次数也很多。
最后总结一下，空气放电的主要缺点就是需要进行长时间的连续试验，然后才能全面的评估和理解DUT的响应特性，以及该响应出现的概率，最终可能需要施加几百个脉冲，需要几个小时的时间。此外，因为DUT对ESD激励的响应也不一致性，试验结果的复现性将成为一个严重的问题，从而要求进行更多次的ESD测试以最终确定DUT的性能。
1.7 接触放电的特点
相较于前面所说的没有规律可言、难以复现的空气放电，接触放电试验的复现性则要高得多，也就是说，用接触放电试验来模拟真实的ESD现象，非常容易复现出DUT的响应，这是因为实际上施加给DUT的每个脉冲波形基本一致，这是接触放电的主要优点。这个在标准中也能发现，我们前面也有讲到，标准是给出了接触放电波形的；也就是说，接触放电的波形是典型的，是可以描述的，但是空气放电就不行。
因为接触放电ESD试验波形具有较高的一致性和复现性，DUT的响应通常也会更好，一致性和重复性当然也好于空气放电。同时，接触放电以较自动的方式进行（空气放电需要一次次的靠近DUT等待电弧放电，而接触放电则可以让电极保持与DUT的接触，连续进行多次持续放电），脉冲以相对较快的重复率施加给DUT，和空气放电相比，速度要快得多。也就是说，试验不需要很长的时间。所以在实际测试中我们可以发现，使用接触放电可以显著地减少试验时间，也就可以更快的评估DUT对ESD的敏感度。
但接触放电也有其局限性，接触放电要求试验施加点为导电表面，用接触放电来模拟ESD的确可以复现实际应用中发生的ESD现象，但并不能复现ESD现象的所有特性，这也是接触放电的主要缺点。还有就是，因为试验中设置的ESD电压和电流是成比例关系的（这个在前面讲接触放电波形参数时表中有体现），而实际中出现的ESD的电压和电流则是非线性的（这个类似于实际应用中的空气放电）。另外，ESD波形的随机变化也是不能复现的，所以接触放电试验并不能评估DUT对实际施加电压的所有响应，这些都是接触放电的缺点。
1.8 DUT通电
DUT通电状态下需要进行直接放电和间接放电试验。
关于直接放电
直接放电可采用接触或空气放电直接施加于DUT或可接触的远端连接部件，例如开关和按键；间接放电为模拟DUT附近导电物体出现的放电，通过外部金属(例如水平耦合板)施加。需要注意的是，间接放电仅采用接触放电方式，这是因为考虑到接触放电之间的时间间隔更小，同时接触放电也具有更好的复现性，这个前面已经讲过了，所以间接放电仅使用接触放电。
按DUT在车辆上的安装位置，ESD发生器的电容可选择330pF或150pF，电阻为330Ω。如不能确定DUT的位置，应仅使用330pF的电容。对导电表面可采用接触放电电极进行接触放电，也可对导电表面施加空气放电。对非导电表面应使用空气放电电极进行空气放电。
标准要求，试验时DUT应与必要的外围设备相连接，试验线束的长度应为1.50m～2.50m。直接放电试验布置如下图所示：
直接放电试验布置（整理：左成钢）
直接放电时，对每一个规定的试验电压和极性，所有的直接放电试验点应至少施加3次放电。连续单次放电之间的时间间隔应足够长(不小于1s)，并确保新的放电之前使电荷消除。
关于间接放电
通过ESD发生器对水平耦合板施加接触放电，以模拟放置或安装在DUT附近的物体进行放电。接触放电应施加在DUT每侧的水平耦合板HCP上，也就是说ESD脉冲应施加在水平耦合板的边沿，而HCP的平面内部不进行放电，这一点要注意。标准要求，DUT应放置在水平耦合板上，其表面应距水平耦合板上最近的放电点为0.1m。对HCP的边沿施加放电时，要调整DUT的位置以保持其表面和水平耦合板的边沿之间的距离为0.1m。另外，对每一个规定的试验电压和极性，所有的间接放电试验点应施加放电50次。对HCP的放电，连续单次放电之间的时间间隔应大于50ms。
标准要求，试验时DUT应与必要的外围设备相连接，试验线束的长度应为1.50m～2.50m。间接放电试验布置如下图所示：
间接放电试验布置（整理：左成钢）
来源：汽车电子与软件
作者：左成钢
