ESD、EFT、Surge實驗環境與法規事項

電磁耐受度（Electromagnetic Susceptibility, EMS）是評估電氣設備與元件對外部電磁干擾抵抗能力的核心指標。隨著電子設備的普及與使用密度的攀升，EMS的重要性亦日益受到重視。

在眾多 EMS 測試項目中，靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）、電氣快速瞬變脈衝（Electrical Fast Transient, EFT）以及浪湧（Surge）是電源轉換器規格書中最常見的三項。這些測試主要驗證設備在承受瞬間高電壓與高電流干擾時的耐受能力，與產品可靠度及操作安全性密切相關。

本文將探討 ESD、EFT 與 Surge 的干擾來源與形成機制，說明各自的測試目的，並依據 IEC 61000 系列標準，介紹相應的實驗配置、測試條件與等級規範。

 

緒論

 

由於電源轉換器在實際應用環境中可能面臨各式各樣的電磁干擾，其來源多樣，如圖1所示，包括因雷擊引起的大電流、人體接觸所產生的靜電放電、無線通訊系統發射的輻射雜訊，以及電源切換或供電連接過程中產生的傳導雜訊與快速暫態干擾。因此，進行電磁耐受度(EMS)測試顯得格外重要，其主要目的是提升轉換器對外部電磁干擾的抵抗能力，確保設備在各種工作條件下皆能穩定且可靠地運行。

IEC61000是國際電工委員會(IEC)專為電磁相容性(EMC)所制定的一系列的測試規範，旗下的子標準制定了每一項測試的程序、方法、實驗設備架設、與試驗標準。基於IEC61000的通用性與嚴謹的標準制定，使其成為眾多地區與國家標準的參考依據，例如歐盟。

關於EMS的測試項目中，涵蓋了以下幾種常見的電磁干擾形式：

1. 靜電放電 (Electrostatic Discharge, ESD)
2. 電氣快速瞬變脈衝 (Electrical Fast Transient, EFT)
3. 浪湧 (Surge)
4. 傳導抗擾 (Conducted Immunity, CI)
5. 輻射抗擾 (Radiated Immunity, RI)
6. 電源頻率磁場耐受 (Power Frequency Magnetic Field, PMF)
7. 電源電壓瞬降耐受 (Voltage Dips)
8. 振鈴波耐受 (Ring Wave)
9. 諧波與諧間波耐受 (Harmonics and Interharmonics)

本文將聚焦於EMS中三項關鍵測試：靜電放電(ESD) 、電氣快速瞬變脈衝(EFT) 與浪湧測試(Surge)，依據IEC 61000系列標準下的相關子標準，分別說明這三項測試的實驗目的、測試設備配置與試驗等級要求。

 

實驗環境與法規

 

(1) 靜電放電ESD

ESD（Electrostatic Discharge）是因物體表面電荷不平衡，在存在足夠電位差時產生的電荷釋放現象。當兩物體接觸或接近時，靜電荷會以極短時間釋放形成高電流脈衝，對敏感電子元件可能造成瞬間損壞或潛在劣化。

ESD對應標準為 IEC 61000-4-2，詳細規範了ESD的測試方法、波形參數與試驗等級。電流波形特性（圖2）：

• 上升時間 : 第一峰值電流10%~90%間的上升時間，範圍為 0.7 ~ 1 ns

ESD試驗分為接觸放電（Contact Discharge, CD）與空氣放電（Air Discharge, AD）兩種方式，分別定義四個試驗等級，包含測試電壓、第一與第二峰值電流，以及30 ns與60 ns時間點的電流值。

 

表 1. ESD試驗等級

等級		測試電壓 (kV)	第一峰值電流 (A)	第二峰值電流 (A)	30ns時的電流 (A)	60ns時的電流 (A)
CD	AD
1	1	2	7.5	4.5	4	2
2	2	4	15	9	8	4
3	-	6	22.5	13.5	12	6
4	3	8	30	18	16	8
-	4	15	56.3	33.8	30	15

 

ESD的波型產生由靜電放電模擬器與靜電槍發射，藉由靜電槍的槍頭可以產生測試波型，靜電放電模擬器等效模型如下圖:

 

電壓源首先經過充電電阻

向儲能電容 充電，開關切換後，儲能電容 透過放電電阻 向待測物(DUT)放電，三個元件的典型值如下:

• 充電電阻  R_C : 50M~100MΩ
• 儲能電容 CS  : 150pF

• 放電電阻 R_D  : 330Ω

 

(2) 電氣快速瞬變脈衝EFT

Electrical Fast Transient, EFT）主要來自電源開關操作、繼電器切換、感性負載斷路等所產生的高頻、低能量脈衝群干擾。這類干擾可透過電源線、信號線或接地系統耦合至電子設備，可能導致系統功能異常或損壞。

對應的國際標準為IEC 61000-4-4，規範了EFT相關的抗擾度要求與測試程序，包括測試波形、設備連接定義與測試等級分類。該標準旨在建立一致性的測試依據，以評估設備在遭受EFT干擾時之耐受能力。

EFT的測試波形可分為單個脈衝與脈衝群兩部分，其標準波形如下：

     [1] 單個脈衝波形:

• 上升時間(t_r ): 10%至90%峰值的上升時間為 5 ns
• 持續時間(t_d): 從上升沿50%至下降沿50%約為 50 ns
• 脈衝頻率: 可設定為 5 kHz（脈衝週期200 μs） 或 100 kHz（脈衝週期10 μs）

      [2] 脈衝群:

• 一個脈衝群產生75個脈衝，因此持續時間為 15 ms（低頻）或 0.75 ms（高頻）
• 每個脈衝群的週期為 300 ms，總測試時間至少 1分鐘

EFT測試等級依電源線或信號線耦合方式區分為四級，其性能標準如下（僅Criteria A與B為通過）:

• Criteria A: 功能正常
• Criteria B: 功能短暫喪失，但能自動恢復
• Criteria C: 功能短暫喪失，需人工重啟恢復

• Criteria D: 設備永久損壞

 

表

2. EFT試驗等級

等級	電源線耦合 (kV)	信號線耦合 (kV)
1	0.5	0.25
2	1	0.5
3	2	1
4	4	2

 

脈波的產生由EFT瞬態脈衝群產生器發射，脈衝產生器的模型如圖5:

 

R_C 是充電電阻,  C_C 是儲能電容,   R_S 是脈衝持續時間成形電阻,  R_M 是阻抗匹配電阻r,  C_D 是隔離電容。輸出阻抗 Z_out 為50歐姆。其中的開關可以藉由控制頻率來決定EFT測試的脈衝頻率。

 

(3) 湧浪電流Surge

Surge 干擾主要來源於 雷擊 或 電源開關切換，會產生高能量的瞬時電壓與電流，並經由電源線、信號線或接地線耦合至電子系統。由於能量極高，若缺乏適當的保護機制，容易造成電源轉換器或其他關鍵元件損壞。因此，設計時必須考量 Surge 抑制電路 或 過電壓/過電流保護機制。

國際標準為 IEC 61000-4-5，規範了Surge的測試波形、測試等級與測試方法。Surge的測試波形可分為兩類：

    [1] 開路電壓波形（圖6(a)）:

• 波前時間T_r1 : 1.2 μs（定義為30%至90%上升時間的1.67倍）
• 半峰值持續時間T_d1 : 50 μs（上升沿50%至下降沿50%）

     [2] 短路電流波形（圖6(b)）：

• 波前時間T_r2 : 8 μs（定義為10%至90%上升時間的1.25倍）
• 半峰值持續時間T_d2 : 20 μs（定義為上升沿50%至下降沿50%的1.18倍）

 

另外，測試等級同樣分為四級，並以Criteria A與Criteria B作為合格標準。

 

表

3. Surge試驗等級

等級	測試電壓 (kV)	最大峰值電流 (A)
1	0.5	250
2	1	500
3	2	1000
4	4	2000

 

Surge 脈衝由組合波產生器產生，發射器模型如圖7:

 

 

Surge發射器模型如圖7所示，組成元件包括：

• R_C : 充電電阻
• C_C : 儲能電容
• R_S1,R_S2  : 脈衝持續時間成形電阻
• R_M : 阻抗匹配電阻
• L_r : 上升時間形成電感

輸出阻抗依測試線路不同而有所區別：

• L對N或L對L：輸出阻抗為 2 Ω
• L/N對地：輸出阻抗為 12 Ω

 

結論

隨著電子設備應用場景日益多樣且複雜，因電磁干擾所引發的系統失效風險亦持續升高。因此，電磁耐受度（Electromagnetic Susceptibility, EMS）測試已成為產品設計與驗證過程中不可或缺的核心環節。

本文針對三項關鍵測試——靜電放電（ESD）、電氣快速瞬變脈衝（EFT）及浪湧（Surge）——進行探討，說明其干擾來源、波形特性、對應的國際標準（IEC 61000 系列），以及測試設備與配置要求。透過標準化的測試程序，不僅可驗證電子設備在嚴苛電磁環境下的運作穩定性，更能提升系統設計的可靠性與安全性。

展望未來，隨著 EMS 標準持續完善與測試技術不斷進步，電子產品對於複雜電磁干擾的抵抗能力將持續增強，進而滿足工業自動化、通訊系統及消費性電子等多元應用對高可靠度的長期需求。

 

 

 

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