【導讀】在設計滿足全球電磁兼容能力(EMC)標準的產(chǎn)品時，靜電放電(ESD)抗擾度測試至關重要。大多數(shù)產(chǎn)品都會遵循主要國際標準，比如IEC 61000-4-2和美國ANSI C63.16，都規(guī)定了怎樣設置和執(zhí)行這些ESD測試。這些測試要求ESD仿真器，來生成準確的可重復的測試脈沖。
在設計滿足全球電磁兼容能力(EMC)標準的產(chǎn)品時，靜電放電(ESD)抗擾度測試至關重要。大多數(shù)產(chǎn)品都會遵循主要國際標準，比如IEC 61000-4-2和美國ANSI C63.16，都規(guī)定了怎樣設置和執(zhí)行這些ESD測試。這些測試要求ESD仿真器，來生成準確的可重復的測試脈沖。
這些標準還規(guī)定了必須注入被測設備(EUT)中的電流脈沖的形狀和定時。在運行抗擾度測試前，必須檢驗ESD仿真器生成的電流脈沖擁有正確的形狀和上升時間?？梢允褂眯屎蟮腅SD靶和高帶寬示波器，檢驗仿真器的性能。泰克4/5/6系MSOs為這種檢驗測量提供了理想的選擇。
人體接觸配電箱或電纜時產(chǎn)生的ESD，可能會損壞電子系統(tǒng)中的電路。在人的手指靠近金屬物體時，普通的人體ESD事件會在物體中產(chǎn)生高電流放電。得到的電流脈沖可能會達到幾安，有非常高的前沿，上升時間不到1 ns (圖1)。圖1顯示了理想化的ESD波形。
圖1. ESD事件產(chǎn)生的電流上升時間不到1 ns。
文中使用6系MSO示波器，演示ESD調(diào)試技術。同等配備的4系和5系MSO的設置和測量實際上一模一樣，因為它們的控制功能與6系MSO相同。本文描述的許多技術也可以用于擁有相應性能（特別是上升時間）的任何專業(yè)級示波器。
人體可以建模成一個簡單的串聯(lián)RC網(wǎng)絡(圖2)。在電荷形成時，電容器會充電到選定數(shù)字的kV。在按下開關(仿真器觸發(fā)器)時，這個電荷會迅速放電到EUT中。多家制造商提供的仿真器都能復現(xiàn)非常接近這個人體模型的電流波形。IEC 61000-4-2國際標準中規(guī)定了這些仿真器必須生成的波形。
IEC 61000-4-2要求在測試EUT前檢驗ESD仿真器的尖端電壓，另外要求檢驗得到的電流波形的多個特點，比如電流峰值、30 ns時的電流讀數(shù)和60 ns時的電流讀數(shù)。
圖2. RC網(wǎng)絡仿真來自人手指的ESD事件。
可以使用電表或吉歐表測量仿真器的尖端電壓。但是，大多數(shù)人發(fā)現(xiàn)，對簡單的預一致性檢驗測試，可以使用高阻抗高壓電阻電壓分路器(100 MΩ串聯(lián)1 MΩ)和數(shù)字電壓表。電阻器一定要能夠耐受最高25 kV電壓。IEC和ANSI標準對測量可重復性的要求要比對上升時間的要求更嚴格。為捕獲ESD，必須把示波器設置成單次(“single-shot”)模式。如果示波器對重復的上升時間測量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它準確地測量任何一種情況的上升時間，即使多次測量的平均數(shù)異常準確。單次可重復性的一個主要因子是低內(nèi)部噪聲，因此在評估示波器進行ESD測試時要比較噪聲指標。這些實例中使用的6系MSO產(chǎn)生的噪聲特別低，特別適合這些測試。
使用并聯(lián) – 為校驗ESD仿真器的輸出，必須測量產(chǎn)生的電流流經(jīng)連接接地的低阻抗高頻電阻并聯(lián)時的波形。這個并聯(lián)或ESD靶仿真進入大的金屬物體中的放電，比如設備箱(圖3)。
圖3. 兩種樣式的ESD靶：老式靶(左)和新式靶(右)。新式靶的帶寬較高(4 GHz)，未來版本的IEC 61000-4-2可能會規(guī)定使用新式靶。
IEC和ANSI標準目前規(guī)定并聯(lián)阻抗<2.1 Ω，但將來修訂版標準中會變。為了幫助工程師更加準確地檢驗ESD仿真器性能，草議標準現(xiàn)在規(guī)定了帶寬更低、阻抗更低的校準后的(新式) ESD靶。新靶的阻抗約為1 Ω。目前IEC和ANSI標準規(guī)定使用1 GHz帶寬的靶。草議標準規(guī)定使用4 GHz帶寬的靶。在設置測試時，必須把靶安裝在1.2平方米地面的中心。ANSI C63.16靶指標包括4 GHz以下時反射系數(shù)<0.1 (相當于VSWR<1.22)，插損<0.3 dB。
為完成測試設置，需要電纜、衰減器和示波器。使用優(yōu)質(zhì)低損耗電纜連接靶、衰減器和示波器。電纜總長要保持在1米以內(nèi)，這樣才能滿足IEC和ANSI標準。ANSI C63.16要求雙屏蔽電纜，防止信號泄漏影響測量。它還推薦RG-400/U電纜，而RG-214/U盡管是兩倍直徑，但損耗只有一半，似乎效果更好。還可以使用任何GHz帶寬的同軸電纜。
IEC 61000-4-2還規(guī)定把示波器放在法拉第籠中，屏蔽示波器受到ESD引發(fā)的放射輻射。在標準開發(fā)過程中(20世紀90年代初)，許多工程師使用模擬熒光存儲示波器進行這些測量。標準之所以規(guī)定使用屏蔽層，是為了防止模擬示波器上顯示的波形失真。屏蔽層也最大限度地減少了放電放射場引起的假觸發(fā)數(shù)量。
目前，大多數(shù)高速數(shù)字示波器，包括泰克4/5/6系MSOs，都擁有屏蔽精良的輸入電路，因此實踐中通常不要求法拉第籠。只需把ESD靶安裝在1.2平方米鋁片上，通常就能防止數(shù)字示波器中不想要的觸發(fā)。
圖4. ESD靶和示波器之間的衰減器保護儀器的輸入放大器。
測試設置方框圖如圖4所示。需要使用衰減器，保護示波器的輸入前置放大器，因為ESD靶可能會產(chǎn)生>50 V的電壓。20 dB衰減器很方便，因為它表示10×衰減，把測得電壓乘10，就可以得到經(jīng)過并聯(lián)的實際電壓，然后計算出得到的電流。衰減器必須能夠處理最高50 V尖峰，衰減器的帶寬必須準確地通過最高4 GHz頻率。
選擇示波器 – 在選擇示波器時，要特別注意儀器的帶寬、上升時間和噪聲。為了準確地測量信號，且沒有采樣誤差，示波器必須有充足的帶寬。對高斯響應示波器，采樣率可能要達到示波器帶寬的6倍，當然更典型的情況是帶寬的4倍。
在使用數(shù)字示波器時，還必須注意采樣率。數(shù)字示波器在可用帶寬上的響應比較平坦，在超過3 dB頻率時滾降率很陡。因此，采樣率要達到示波器帶寬的2.5倍，以避免假信號誤差。
示波器要想準確地顯示ESD脈沖的上升時間，必須有充足的帶寬和上升時間。確定示波器指標是否足夠的規(guī)則，會因模擬示波器和數(shù)字示波器而不同。
對模擬示波器，公認的上升時間和帶寬規(guī)則是：
• 帶寬 = 0.35/(上升時間)，或上升時間 = 0.35/帶寬。
• 示波器的上升時間必須小于輸入信號上升時間的三分之一，以便使上升時間測量誤差小于等于5%。
對數(shù)字示波器，計算方法如下：
• 帶寬 ≈0.43/(上升時間)
• 示波器的上升時間只要達到信號上升時間的大約0.7倍，就能以百分之幾的精度測量上升時間。
大多數(shù)數(shù)字示波器的頻響比較平坦，與模擬示波器相比，在-3 dB點以下的頻率上生成的衰減較少。因此，數(shù)字示波器的測量精度要更高。其次，數(shù)字示波器的滾降率較陡，有助于降低假信號誤差。
一般來說，人體ESD脈沖的上升時間要小于200 ps。為準確顯示這種脈沖，要求的帶寬約為0.43/(200 ps)，或者2.15 GHz。某些ESD仿真器可能會生成50 ps的上升時間，因此要求8.6 GHz的示波器帶寬。
靶-衰減器-電纜鏈條會產(chǎn)生一定的信號幅度損耗。不同測試設置之間的損耗變化，DC ~ 1 GHz時必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz時必須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的系統(tǒng)精度變化會大大影響測量精度。
表1. 系統(tǒng)精度變化會引起的測量誤差百分比。
示波器的帶寬越高，它捕獲ESD脈沖上升沿的精度越高。表2顯示了示波器的上升時間直接影響ESD脈沖測得的上升時間。如果脈沖的上升時間為700 ps，那么示波器的帶寬至少要達到4 GHz，才能實現(xiàn)<1%的誤差。在測量上升時間時，必須把這個誤差加到任何系統(tǒng)誤差中。
表2. 真實的上升時間與觀測到的上升時間與示波器帶寬的關系。
為測量ESD脈沖，把示波器設置成單次模式，使用正邊沿觸發(fā)。把觸發(fā)電平設置成剛好高于0。可能要稍微調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，以捕獲整個波形。把垂直靈敏度設置成200 mV/div或400 mV/div (視選擇的仿真器電壓而定)，把時基設置成20 ns/div。假設測得的信號是三角形波(為計算簡單起見)，那么測得的上升時間為800 ps時，要求的采樣率是10 G樣點/秒，等于100 ps/樣點，或者一個上升沿上8個樣點，足以準確地表示樣點。
檢驗觸點放電
大多數(shù)ESD標準對大多數(shù)產(chǎn)品規(guī)定觸點放電測試電平為±4 kV，但會因應用或使用環(huán)境而變化。在圖5中，我們演示了捕獲+4 kV觸電放電脈沖。仿真器地線應連接到地面。在進行觸電放電測試時，先把尖端直接放到靶上，然后再觸發(fā)仿真器。
在實際檢驗測試過程中，仿真器地線應盡量遠離示波器同軸電纜，防止電纜到電纜耦合。標準推薦抓住中間的地線，從地面上拉開。觸點放電尖端要一直位于靶的中心(圖6)。
圖5. 這一測試設置演示了ESD仿真器到靶+4 kV觸點放電的檢驗原理。實際檢驗要求1.2平方米的鋁片地面。由于演示地面的面積減少，我們可以觀察到同軸電纜反射，在捕獲的波形中導致了紋波。鐵氧體扼流圈有助于減少這些反射。
圖6. 在觸發(fā)脈沖前，觸點放電尖端應盡可能位于靶的中心。
為在4系、5系、6系MSO上捕獲ESD脈沖，把垂直標度調(diào)到200或400 mV/格(視仿真器的電壓設置而定)，把水平時基調(diào)到20 ns/格，以在屏幕上捕獲大多數(shù)波形。把觸發(fā)模式設置成手動(“Manual”)，把觸發(fā)電平設置成高于或低于零伏基線，具體看檢驗的是正向脈沖還是負向脈沖。
圖7.使用ESD靶捕獲典型的+4 kV觸點放電。峰值電壓是16 V (1.6 V × 10，因為20 dB衰減器)。這表示流經(jīng)2.1 Ω靶的峰值ESD電流為7.6 A。
檢驗大氣放電
大多數(shù)ESD標準對大多數(shù)產(chǎn)品規(guī)定的大氣放電測試電平為±8 kV，但會因應用或使用環(huán)境而變化。在圖8中，我們演示了捕獲+8 kV觸點放電脈沖。
圖8. 這一測試設置演示了ESD仿真器到靶+8 kV大氣放電的檢驗原理。實際檢驗要求1.2平方米的鋁片地面。由于演示地面的面積減少，我們可以觀察到同軸電纜反射，在捕獲的波形中導致了紋波。鐵氧體扼流圈有助于減少這些反射。
圖9. 在大氣放電測試過程中以90度接近時，盡量瞄準靶心。新式靶的準確命中難度要大得多。
接近時注意事項 – 大氣放電檢驗變化相當大，取決于接近速度、接近角和濕度。在使用大氣放電執(zhí)行測試時，盡量使用ESD仿真器從90°角以恒定速度接近靶(圖9)。讓尖端弧到靶，而不是實際接觸靶。這樣可以最大限度地提高可重復性，但預計波形和峰值電壓會出現(xiàn)大量的變化。實例演示中的濕度是45%，一般會令峰值電壓測量較正常電壓下降。在大氣放電測試過程中，可能要記錄濕度，因為它對ESD測試結(jié)果有著明顯影響。這個變量是要求進行觸點放電測試的原因之一，因為它本身在上升時間和脈沖形狀中要更一致。圖10顯示了8 kV大氣放電捕獲。
圖10. 使用ESD靶捕獲典型的+8 kV觸點放電。峰值電壓為25 V (2.5 V × 10，因為20 dB衰減器)。這表示流經(jīng)2.1 Ω靶的峰值ESD電流為11.9 A。
關于泰克科技
泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創(chuàng)新能力。70多年來，泰克一直走在數(shù)字時代前沿。
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