空氣放電不等於接觸放電：那張只在 40% 濕度下成立的合格報告

這個產品，以及它為什麼只能用空氣放電測

一台密閉的消費性產品，塑膠外框。沒有外露的螺絲，沒有金屬飾條，使用者摸得到的範圍內也沒有連接器外殼。是真的沒有地方可以放探針。

這不是設計上的錯誤，而且很常見。但它的結果是唯一可用的方法變成空氣放電：探針先充電，接近產品，然後電弧自己跳過空隙。這台產品就是這樣做認證的，做到規定的等級，每個點十次，每一條縫、每一顆按鍵。報告很乾淨。

報告過了，現場不同意

當機和重開機的回報開始進來。注意，不是燒毀，是需要重新上電才能恢復的軟性失效。等到有人把資料好好分類之後，兩個規律非常明顯：

• 集中在冬天。
• 集中在乾燥的地區。

從通過認證到開始退貨，設計沒有任何改變。同一套硬體在不同的空氣裡表現不一樣，而那次認證，是在一個被法規固定住的空氣裡做的。

接觸放電給你的是：一個帶容差的數字

接觸放電時，探針在任何事情發生之前就已經碰在產品上了。放電的瞬間由產生器裡面的繼電器決定，所以電流是由產生器決定的，不是由空氣決定的。

這就是為什麼標準可以在它外面畫一張表。IEC 61000-4-2 表 3 把每一個等級的整個波形都釘住。等級 4，也就是 8kV：

• 第一峰值電流 30A，±15%
• 上升時間 0.8ns，±25%
• 30ns 時的電流 16A，±30%
• 60ns 時的電流 8A，±30%

結論值得直說：接觸放電的合格是一次量測。把同一個產品送去另一間實驗室，你會得到一樣的答案，因為被施加的那個東西本身就定義在一個明講出來的容差裡面。

空氣放電給你的是：一道電弧，以及電弧決定的一切

空氣放電時什麼都沒有接觸。探針接近，探針尖端與產品之間的電場升高，到某個點空氣崩潰，電弧形成。這道電弧的一切，都是由空氣、幾何形狀，以及接近的速度決定的。

標準並沒有隱瞞這件事。它自己談電弧的附錄寫著，放電電流的上升時間會隨接近速度而從小於 1ns 變到大於 20ns。接著它講了讓人意外的那一句：

把接近速度固定住，並不會讓上升時間固定。在某些電壓與速度的組合下，上升時間仍然會波動達 30 倍。

所以這不是操作員技術好不好的問題，也不是買一台更好的機械手臂可以解決的。同一個測試等級、同一位操作員、同一台產品，實際被施加的那個東西還是會在超過一個數量級的範圍裡跑。

為什麼這件事重要：它動到的是真正造成傷害的那個參數

如果上升時間只影響這個事件在示波器上長什麼樣子，那這篇就不值得寫。但它不只如此。標準把電流變化率點名為最關鍵的參數，而電流變化率幾乎完全由上升時間決定。

拿上面的數字算一遍，峰值固定在 30A。20ns 的電弧大約是每奈秒 1.2A。0.5ns 的電弧大約是 48。這是四十倍，而且是在那個會耦合進你的板子、並且在放電路徑上每一個寄生電感上撐出電壓的量上面差四十倍。

由此得到兩個必須放在一起看的結論，因為只拿其中一個都會出事：

• 慢電弧是個溫和的測試。它可以比同電壓的接觸放電溫和不少，這就是產品空氣放電過了、在市場上卻失效的原因。
• 快電弧比接觸放電更兇。在次奈秒的上升下，它超過接觸放電的基準，這就是空氣放電偶爾會把一台其實沒問題的產品判掉的原因。

而讓這件事真正變成問題的是：你沒得選你拿到的是哪一種，而且報告上不會記。一張 8kV 空氣放電的合格，可能是比 8kV 接觸放電難得多的測試，也可能是容易得多的。文件上兩者長得一模一樣。

而且實驗室的濕度，你的客戶並沒有

電弧是空氣的崩潰，所以它取決於空氣的狀態。這就是為什麼標準在 8.1.2 條特別規定了空氣放電測試的條件：環境溫度 15 到 35°C，大氣壓 86 到 106kPa，相對濕度 30 到 60%。

這個範圍存在的目的是讓測試可以重現，而它確實有幫助。但它同時也表示，認證是在被調節過的空氣裡做的，而產品並不住在被調節過的空氣裡。

標準還更進一步，直接告訴你乾燥的情況長什麼樣。它自己用來挑測試等級的表 A.1，把等級和你預期的濕度以及現場材質綁在一起：

把 10% 濕度那兩個點對著底色的範圍看。會產生最高靜電電壓的條件，正是這個測試不會在裡面進行的條件。一個放著合成材質的乾燥房間可以到 15kV，而實驗室被固定在 30 到 60% 之間。

整個案子就在這一張圖裡。失效集中在冬天、集中在乾燥地區，不是一個需要被解釋掉的巧合。那就是報告裡的空氣和客戶客廳裡的空氣之間的差別。

以上都不是在批評測試單位

這點要講清楚，因為這種內容很容易被讀成在怪誰。實驗室做的完全是標準要求的事。空氣放電被寫進 IEC 61000-4-2 是有原因的，因為有些產品就是沒有金屬可以碰，而它們還是得被測。

標準自己寫著接觸放電是建議的方法，而上面所有內容就是標準在解釋為什麼。空氣放電是給那些沒辦法用建議方法的產品的備案。它不是一個份量相同的第二意見，而一份報告能告訴你的，不會超過它底下那個方法能告訴你的。

那要怎麼辦

1. 產品上只要有任何一個地方能做接觸放電，那個地方就用接觸放電做。連接器外殼、螺絲、金屬飾條、外露的屏蔽。混合的報告很正常，而且接觸的那幾列才是真正有資訊量的。
2. 只能做空氣放電的地方，改成買餘裕，不要去買那個測試。你控制不了電弧，那就別再試了，改成買頭部空間。指定兩倍於需求的等級是實際的做法，而且在高速線上幾乎不用付出代價。
3. 不要把空氣放電的合格讀成等同於同電壓的接觸放電合格。它對產品的宣告比較弱，而且兩者的差距不是一個你可以拿來換算的固定數字。
4. 如果失效跟著季節或地區跑，就相信那個規律。濕度就是機制，它寫在標準自己的附錄裡，而且不論你在被調節過的實驗室裡重跑幾次，它都不會重現。

比較兩家供應商，以及我們印什麼

把兩顆保護元件放在一起比的時候，拿接觸的數字比接觸的數字。那是標準讓它可以重現的那個數字，所以也只有在那個數字上，兩份規格書之間的差異才代表它看起來代表的意思。

空氣的數字通常比較高，而它比較高的原因跟矽做得比較好完全無關。拿一家的空氣額定去比另一家的接觸額定，根本不算是在比較。

我們兩個都印，而且印成第一頁上分開的兩列，這樣沒有人需要去猜自己手上拿的是哪一個。在 PZ0303P-F10 上就是 ±16kV 接觸與 ±21kV 空氣。面對 8kV 的需求，光是接觸那個數字就是兩倍，而擁有它的代價是 0.45pF。