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一、引言

 

產(chǎn)品在做電磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility簡(jiǎn)稱EMC）測(cè)試或者認(rèn)證時(shí)，靜電放電（Electro-Magnetics-Static Discharge簡(jiǎn)稱ESD）是一項(xiàng)重要且必須符合各國(guó)或地區(qū)的非常重要指標(biāo)，某些特定場(chǎng)合使用的設(shè)備在有些情況下，大到一個(gè)大城市或者國(guó)家的核心數(shù)據(jù)機(jī)房、再到密切關(guān)聯(lián)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)公司的數(shù)據(jù)交換中心或者是企業(yè)學(xué)校內(nèi)部的中心服務(wù)器機(jī)房，里面都是連接下游成千上萬的終端用戶，所以必須確保核心設(shè)備24小時(shí)在線不能有任何的錯(cuò)誤或者中斷發(fā)生，核心端一個(gè)小小的中斷，影響的就是災(zāi)難性的，尤其是現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)，如果核心設(shè)備發(fā)生小小的一個(gè)中斷，你會(huì)突然發(fā)現(xiàn)微信和支付寶等及時(shí)支付功能不能掃碼支付了、共享單車不能聯(lián)網(wǎng)了、打車軟件叫不到車了，一切本來習(xí)以為常的日常生活一下子就被打亂了，甚至要回到十幾年前紙幣時(shí)代，我給它定義一個(gè)新名詞叫“互聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量”。所以設(shè)備在維護(hù)時(shí)不能關(guān)機(jī)而且必須確保設(shè)備能夠正常工作不受任何的影響，尤其是靜電的危害，靜電是機(jī)房里面的?？?，到處是電子設(shè)備，靜電隨處可見，因此，在這種特殊要求下，設(shè)備在進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的操作過程中，一定要打開某些設(shè)備進(jìn)行帶電操作，而且要確認(rèn)設(shè)備不能夠受到任何干擾，所以設(shè)備制造商在技術(shù)開發(fā)階段必須要對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜電放電測(cè)試試驗(yàn)，以確保設(shè)備在正常工作和維護(hù)保養(yǎng)兩種工作模式下都能夠經(jīng)受住靜電的干擾而保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行，圖1到圖4比較直觀的理解同一臺(tái)電子通訊設(shè)備在做標(biāo)準(zhǔn)靜電測(cè)試和維護(hù)保養(yǎng)靜電測(cè)試二者的不同和差異。

 

 

圖1-1 測(cè)試設(shè)備整體照片

 

 

圖1-2 測(cè)試設(shè)備打開內(nèi)部照片

 

 

圖1-3標(biāo)準(zhǔn)靜電測(cè)試示意圖

 

 

圖1-4 開蓋維護(hù)保養(yǎng)靜電測(cè)試示意圖

 

以上可以了解靜電對(duì)于設(shè)備質(zhì)量提高的重要性，然而在產(chǎn)品實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，往往會(huì)遇到一個(gè)非常棘手的問題，即對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜電抗擾度測(cè)試時(shí)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求接觸放電電壓+-8kV空氣放電電壓+-15kV，設(shè)備在正常工作模式下，接觸放電和空氣放電都合格，設(shè)備能夠經(jīng)受住靜電的沖擊不受干擾而且工作一切正常，但是打開殼體后在同樣的測(cè)試條件和環(huán)境下靜電測(cè)試，結(jié)果是不合格，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致設(shè)備死機(jī)甚至永久性損壞。

 

為什么同一臺(tái)設(shè)備在相同的環(huán)境和條件下測(cè)試靜電會(huì)得到截然想法的結(jié)果？怎么加大設(shè)備的抗干擾能力，提升設(shè)備的質(zhì)量？要想解決這個(gè)問題，首先需要大膽假設(shè)，然后需要仔細(xì)認(rèn)真的理論分析，最后用實(shí)際驗(yàn)證和數(shù)據(jù)支撐的一套科學(xué)的試驗(yàn)方法。

 

二、方法論

 

同一臺(tái)設(shè)備，同樣測(cè)試環(huán)境，同樣的靜電放電等級(jí)和方式，唯一不一樣的就是設(shè)備的殼體一個(gè)是封閉狀態(tài)，一個(gè)是打開狀態(tài)。這讓我想到一個(gè)日常生活中每個(gè)人都有過而且是常見的一個(gè)現(xiàn)象，日常我經(jīng)常用手機(jī)或者一個(gè)小型便攜式音箱聽歌或者聽收音機(jī)，兩個(gè)場(chǎng)景：一是在外面的開闊地時(shí)候，二是走進(jìn)樓道的時(shí)候，我很明顯的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我從外面走進(jìn)樓道的一瞬間，音箱的音量好像突然增大很多，然而我并沒有調(diào)高設(shè)備本身的音量，所以這就是樓道形成一個(gè)腔體，而聲音本身就是一個(gè)能量波，這個(gè)能量波在樓道腔體這個(gè)小范圍內(nèi)部多次反射并形成共振增強(qiáng)了能量的效果，所以我根據(jù)音頻放大這個(gè)現(xiàn)象大膽假設(shè)：既然靜電是一個(gè)高頻能量，那如果給靜電一個(gè)同樣的腔體，是不是也同樣存在一樣的共振和增強(qiáng)呢？腔體結(jié)構(gòu)殼體對(duì)靜電會(huì)不會(huì)像對(duì)聲音一樣就像一個(gè)放大器，會(huì)將靜電耦合電壓增強(qiáng)并疊加，導(dǎo)致設(shè)備測(cè)試不合格？

 

為了證明我的猜想即腔體結(jié)構(gòu)的耦合和放大功能是存在而且正確的，必須用科學(xué)的方法來論證腔體靜電效應(yīng)。我將用理論分析、數(shù)學(xué)建模、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、數(shù)據(jù)收集對(duì)比這一套科學(xué)的方法來指導(dǎo)并執(zhí)行接下來的所有工作。

 

首先看一下共振原理基礎(chǔ)知識(shí)LC螺旋振蕩器原理公式。

 

 

從倫茲定律可以看出電感L和電容C是產(chǎn)生頻率的的重要因數(shù)，我做一個(gè)試驗(yàn)，如果把電路中的L也就是電感不變，而C也就是電容值逐漸變小，我可以用示意圖來表示一下他們之間的關(guān)系：圖2-1電容為標(biāo)準(zhǔn)值，圖2-2電容值很小，圖2-3電容值沒有。

 

 

圖2-1 LC標(biāo)準(zhǔn)電路

 

 

圖2-2 LC電路電容很小

 

 

圖2-3 LC電路沒有電容

 

 

根據(jù)公式可以看出，當(dāng)L不變，C趨向很小的時(shí)候，頻率就會(huì)很高，理論趨向無限大，當(dāng)然現(xiàn)實(shí)中不可能，因?yàn)橛懈鞣N衰減因子存在。那如果我把電容換成兩個(gè)更大的平行的金屬平板，會(huì)有什么樣效果產(chǎn)生呢？

 

 

圖2-4 LC標(biāo)準(zhǔn)電路

 

 

 圖2-5 LC電路電感很小

 

 

圖2-6 LC電路電感很大

 

當(dāng)電感很小，產(chǎn)生的電場(chǎng)很少，圖2-5中用一個(gè)磁力線來表示，當(dāng)電感很大，產(chǎn)生的電場(chǎng)就會(huì)大，圖2-6中用多跟磁力線來表示。我進(jìn)一步把兩個(gè)平行的平板四周加上一圈，讓它形成一個(gè)腔體，會(huì)產(chǎn)生什么樣的神奇效果呢？我進(jìn)一步分析：

 

 

圖2-7 圓柱腔體結(jié)構(gòu)

 

 

 圖2-8 電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線

 

 

圖2-9 腔體電場(chǎng)和磁場(chǎng)

 

當(dāng)一個(gè)腔體形成后，兩種情況：直流的時(shí)候沒有磁場(chǎng)B，只有電場(chǎng)E；交流的時(shí)候磁場(chǎng)和電場(chǎng)交替存在。在四周的腔壁上沒有電場(chǎng)，但是在腔體內(nèi)部越往中心電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)。那如果有線束通過腔體會(huì)有什么影響呢？

 

 

圖2-10 線束通過腔體上下蓋

 

 

 圖2-11 線束通過腔體四壁

 

當(dāng)線束通過腔體上下蓋的時(shí)候，由于腔體內(nèi)部上下蓋上布滿電荷，所以線束會(huì)被耦合到電壓；另一種情況，當(dāng)線束通過腔體四壁的時(shí)候，周圍都是磁力線，磁力線的變化會(huì)耦合磁場(chǎng)也就是電流到線束上。再來一個(gè)問題，如果圓柱體換成方形結(jié)構(gòu)呢？同樣也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

 

 

圖2-12 方形結(jié)構(gòu)腔體

 

理論分析之后，我需要根據(jù)這一套理論設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試模型進(jìn)一步驗(yàn)證這種腔體結(jié)構(gòu)的殼體對(duì)靜電耦合和放大效應(yīng)的存在，所以我設(shè)計(jì)下面兩套測(cè)試系統(tǒng)模型圖。

 

 

圖2-13腔體結(jié)構(gòu)殼體設(shè)備模型圖

 

 

 圖2-14無腔體結(jié)構(gòu)殼體設(shè)備測(cè)試模型

 

三、試驗(yàn)驗(yàn)證

 

接下來基于實(shí)際樣品的結(jié)構(gòu)我加工制作了基于測(cè)試模型的原型樣機(jī)，圖3-1. 兩套用于比對(duì)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)殼體。

 

 

圖3-1腔體結(jié)構(gòu)殼體實(shí)物圖

 

 

 圖3-2無腔體結(jié)構(gòu)殼體實(shí)物圖

 

殼體加工完成，我把同一設(shè)備線路板和模塊安裝在這兩套不同的結(jié)構(gòu)殼體中得到以下兩張實(shí)物圖片。

 

 

      圖3-3腔體結(jié)構(gòu)設(shè)備組裝實(shí)物圖

 

 

  圖3-4無腔體結(jié)構(gòu)設(shè)備組裝實(shí)物圖

 

按照實(shí)現(xiàn)的安排，測(cè)試環(huán)境，測(cè)試等級(jí)，測(cè)試設(shè)備等等必須全部一致，在相同測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法下，對(duì)兩套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)同時(shí)施加接觸放電+8kV的電壓，然后通過示波器測(cè)量得到圖3-5和圖3-6波形和具體測(cè)量耦合電壓值得圖3-7和圖3-8。從測(cè)量波形和測(cè)量數(shù)據(jù)表對(duì)比可以看出，在相同的靜電放電條件下，有腔體結(jié)構(gòu)的殼體靜電耦合測(cè)量值為峰峰值0.56V，無腔體結(jié)構(gòu)的殼體靜電耦合測(cè)量值為峰峰值0.06V。

 

 

 圖3-5腔體結(jié)構(gòu)示波器測(cè)量耦合電壓波形

 

 

 圖3-6無腔體結(jié)構(gòu)示波器測(cè)量耦合電壓波形

 

 

  圖3-7腔體結(jié)構(gòu)示波器測(cè)量耦合電壓值

 

 

 圖3-8無腔體結(jié)構(gòu)示波器測(cè)量耦合電壓值

 

結(jié)論

 

本文通過一個(gè)設(shè)備在技術(shù)開發(fā)階段遇到的質(zhì)量問題，由此展開本文的論題研究，用科學(xué)的論證方法，實(shí)事求是的試驗(yàn)精神，從開始的發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，再到后面尋找理論依據(jù)，設(shè)計(jì)測(cè)試方案，最后加工測(cè)試樣機(jī)，當(dāng)一切都準(zhǔn)備完備，只差最后一步試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)把之這一套流程走時(shí)已經(jīng)歷時(shí)兩年，功夫不負(fù)有心人，最后得到了預(yù)期的測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，比較兩種模式：腔體結(jié)構(gòu)的電壓耦合量是無腔體結(jié)構(gòu)的9.34倍，由此可以得出我的結(jié)論腔體結(jié)構(gòu)對(duì)靜電電荷有很大的耦合功功能和放大的結(jié)論。

 

本文參考文獻(xiàn)：

 

[1] Feynman, Lectures on Physics, Vol 2

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