摘要：为充分了解电子设备空气式静电放电（ESD）放电电流的特点，利用研制的带垂直导轨 可调速ESD模拟器空气式ESD试验平台，在不同放电电压、不同放电极性和模拟器不同接近 速度，针对对地空气式ESD进行了试验研究。 试验结果表明，在一定电压范围内，放电电流峰 值随放电电压的升高减小，同时上升时间随放电电压的升高而增大；模拟器接近速度越大， 放电电流峰值越大，上升时间越小；在某些放电电压下出现多次波形。对地空气式ESD可与电子设备空气式ESD试验结果相互印证，为电子设备ESD损伤机制提供试验和理论基础。
关键词：空气式静电放电；放电电流波形；放电电流峰值；上升时间；多次波形
静电放电 ESD 具有高电位和大瞬时电流[1] ，会对电子设备造成损伤或干扰。 近年来，随着微电子 技术和器件工艺的迅猛发展，各种微电子器件的集 成度大幅度提高，使得电子设备的电磁抗扰度降低 且抗过压能力下降。 ESD 严重威胁着现代信息化电 子设备和武器系统，尤其对电子设备的潜在性失效威胁更为严重且难以预测[2-3]。
ESD 可分为 2 类，电流注入放电和空气击穿放 电[1]。由于空气式 ESD 涉及到外部火花通道的形成过 程，温度、湿度、放电电压的大小与极性、模拟器放电电极接近被测物体的速度等因素都会引起放 电 过程的显著变化，因此该方式的放电重复性极差[4]。然而，空气式 ESD 是实际工程技术和生活环境中出 现概率最大的放电现象，也是对电子器件和设备造 成损伤或干扰的最主要方式之一，成为电子工业迫 切需要解决的一个重要问题[3-5]。 因此对空气式 ESD 的试验研究及其规律的研究刻不容缓。
在前期，原青云、贺其元等 人进行了关 于电流 靶的空气式 ESD 试验[4，6] ，但在实际 ESD 抗扰度测试中，受测对象不是电流靶而是某一电子设备。 为了能够使电流靶的空气式 ESD 与具体电子设备的 空气式 ESD 的试验结果相互印证， 在相同环境、相同位置进行了不同放电电压、不同极性、不同放电电极接近速度等条件下对地空气式 ESD 试验研究。
1试验装置与试验方法
对地 ESD 放电电流波形测量系统如图 1 所示。 该系统包括 ESD 模拟器、1 GHz 带宽 F65 电流钳、 ESD 空气式静电放电速度控制器、采样率 5 GS/s 和 带宽 2 GHz 的示波器、20 dB 衰减器、法拉第笼。
空气式 ESD 速度控制器由空气放电控制监测 仪、导轨、铝板 3 部分组成。 ESD 模拟器由特制的夹具固定于导轨上，由空气放电控制监测仪控制上下 移动，速度 0.05～0.5 m/s 可调。 F65 电流钳置于 ESD 模拟器夹具之中，位于 ESD 模拟器放电尖端处。 铝板放置在标准 ESD 抗扰度测试平台上。 法拉第笼、 示波器、铝板接地。
试验前，校准 ESD 模拟器和电流钳，环境湿度 30%，温度 22 °C。试验时，ESD 模拟器选择人体金属模型和空气式放电模式， 在不同放电电压水平、放 电极性（±2，±4，±6，±8，±10，±12 kV）以及 不同放电 电极接近速度（0.1，0.3，0.5 m/s）的条件下，分别进行对地空气式 ESD 试验，记录放电电流波形的特征值并保存波形数据，每种试验条件重复 6 次。
2 试验结果与分析
2.1 放电电压对空气式 ESD 的影响
试验研究发现，放电电极接近速度一定时，随着放电电压的增加，无论正极性还是负极性的放电，放 电电流波形均发生极大变化，如图 2 所示。 图 2 为模拟器接近速度为 0.3 m/s 时，不同放电电压 U 的放电电流波形主波形。 图 2a 和图 2c 为放电的完整主波形，图 2b 和图 2d 为对应主波形第一峰的放大图。
IEC 61000-4-2 标准[7]中，给出的 ESD 模拟器接 触式放电电流波形的典型参数，放电电流峰值 Ip 与放电电压成正比，上升时间 tr 为 0.7～1 ns。 文献[4，6] 中对电流靶的空气式 ESD 实际测量值表明：放电电 流峰值大小在±20 kV 以下大体上随放电电压线性增加，与接触式放电情况一致；上升时间随放电电压的增加而增加，但呈非线性，即电流波形的前沿 逐渐变得平坦，这在±12 kV 及以下放电电压时是极其明显的。
对地空气式 ESD 试验中，±2，±4，±6 kV 放电电压的放电电流峰值及变化趋势与 IEC 61000-4-2 标准一致，上升时间趋近相同；但在±8，±10，±12 kV， 放电电流峰值随放电电压的增大而减小，上升时间 随放电电压的增大而增大，如图 3 和图 4 所示。 图 3，图 4 分别为模拟器接近速度为 0.3 m/s 时，不同电压放电的放电电流峰值和上升时间。
5 为在同一试验条件下记录不同放电电压、 极性的峰值放电电流与上升时间，接近速度0.3 m/s。 试验条件改变时，放电电流峰值与上升时间同时发生变化：随着放电电压的升高，放电电流峰值变小 的同时，上升时间增加。 在图中表现为放电电流波形第一峰高度变小的同时变平缓， 在-8 kV 时尤为明显，第二峰高度随放电电压增加不断增大；而在 8，10，12 kV 时第一峰高度不断变小，±12 kV 时第二峰的高度甚至超过了第一峰。
上升时间随放电电压的增加而增加，但呈非线性， 即放电电流波形前沿逐渐变得平坦的现象，出 现的原因是放电电压较低时电弧长度很短，而在放电电压较高时电弧长度较长[2]。 放电电压相同时，放电能量相同，当电弧长度较长时，上升时间会增加， 能量在更长时间释放，则电流峰值减小。 同时，电晕也会造成部分能量的损耗，导致放电电流波形总能量减少，电流峰值随之减小。
2.2 接近速度对空气式 ESD 的影响
不同接近速度、不同放电电压时放电电流峰值和上升时间分别如图 6，图 7 所示。 由于放电电流峰值的异变从±8 kV 开始，而放电电压小于±8 kV 时，上升时间趋近相同，因此图中仅列出±8，±10，±12 kV 时的放电电流峰值和上升时间。
由图 6 可见，模拟器接近速度越大，放电 电流峰值越大，与放电电压极性无关。 由图 7 可见，模拟器接近速度越大，上升时间越小，与放电电压极性无关；随着放电电压的增大，上升时间随之变大， 在放电电压极性为正时尤为明显。 在接近速度为 0.5 m/s 时，上升时间变化极其微小。
接近速度会影响到统计时间延迟，进而影响到电弧长度[4]。 放电电压一定时，接近速度越快，在相 同时间延迟内电极移动距离越长， 电弧长度越短， 放电能量释放越集中，则放电电流峰值越大，上升时间越快。
2.3 放电电流波形出现多次波形
试验发现，放电电流波形 出现了二次、三次甚至四次波形。 放电电压为-12 kV，接近速度为 0.3 m/s 时完整的放电电流波形如图 8 所示。
不同放电电压、不同极性单次放电下产生的完整放电电流波形如图 9 所示。 为方便制图与观察， 将多次波形的时间轴前移，使各次波形处于同一起 点。 模拟器接近速度为 0.3 m/s，各图中横轴坐标的 范围相同，纵轴分度不同，大小不能直接比较。 由图 9 可知，多次波形分别在+2 kV 和-8 kV 初次显现。
记录多次波形参数以及 单次放电的 多次波形之间时间间隔 ti， 由于多次波形个数即使在试验条件完全相同时也不尽然相同，所以仅列出主波形与 二次波形之间的时间间隔，如图 10 所示。
图 10 为不同放电电压、 不同极性单次放电产生的完整放电电流波形的主波形与二次波形的时 间间隔。 由图可见，随着模拟器接近速度的增加，主波形与二次波形之间的时间间隔减小。 图 10 结果 表明，时间间隔随放电电压的增大而增大，随接近速度的增大而增大。
对多次波形产生原因的分析是电容的充放电作用，即 ESD 抗扰度试验平台的结构，如图 11 所示。铝板、水平参考平面、接地参考平面通过接地线构成 3 层电容结构，ESD 模拟器放电尖端携带静电荷，铝板、 水平参考平面感应出静电荷，放电尖端击穿空气放电后，由于水平参考平面与大地之间连接 2 个470 kΩ 电阻，电荷倾泄较慢，反之对 ESD 模拟器放电尖端产生感应，使放电尖端再次携带静电荷。与此同时，ESD 模拟器在自动速度控制器的控制下继续向下移动， 直到放电尖端携带的静电荷再次击穿空气对铝板放电产生多次波形，这同时也解释了随着模拟器接近速度的增加，主波形与二次波形之间的时间间隔减 小。 如图 8 和图 9 所示，二次波形的形状与主波形 一致，上升时间与主波形相近，二次波形电流峰值 达到 13.8 A，可能对设备造成二次损伤或累积效应。
3 结语
对地空气式 ESD 试验中，±2，±4，±6 kV 放电电 压的放电电流峰值及变化趋势与 IEC 61000-4-2 标准一致，上升时间趋于相同；但在±8，±10，±12 kV， 放电电流峰值随放电电压的增大而减小，上升时间 随放电电压的增大而增大。
试验过程由于受激光传感器的限制，与传感器不在同一平面的障碍物无法检测。 对此，可以通过调整传感器高度，重复扫描环境以建立更准确的地图。
5 结语
所提出的基于图优化的 移动机器人 同步定位与地图构建算法，在仿真环境和实际环境中对算法 进行了验证。 传统粒子滤波优化方法需要维护全局地图中的所有粒子，随着地图范围的增大，需要维 护的粒子数增多， 对计算机的性能有较高的要求。 而图优化方法不需要地图中每一个粒子的信息，减少了累积误差，提高了有效性和鲁棒性。
