靜電放電(ESD)抗擾度測試

在設(shè)計(jì)滿足全球電磁兼容能力(EMC)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品時(shí)，靜電放電(ESD)抗擾度測試至關(guān)重要。大多數(shù)產(chǎn)品都會(huì)遵循主要國際標(biāo)準(zhǔn)，比如IEC 61000-4-2和美國ANSI C63.16，都規(guī)定了怎樣設(shè)置和執(zhí)行這些ESD測試。這些測試要求ESD仿真器，來生成準(zhǔn)確的可重復(fù)的測試脈沖。

這些標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了必須注入被測設(shè)備(EUT)中的電流脈沖的形狀和定時(shí)。在運(yùn)行抗擾度測試前，必須檢驗(yàn)ESD仿真器生成的電流脈沖擁有正確的形狀和上升時(shí)間。可以使用校準(zhǔn)后的ESD靶和高帶寬示波器，檢驗(yàn)仿真器的性能。泰克4/5/6系MSOs為這種檢驗(yàn)測量提供了理想的選擇。

圖1. ESD事件產(chǎn)生的電流上升時(shí)間不到1 ns

人體接觸配電箱或電纜時(shí)產(chǎn)生的ESD，可能會(huì)損壞電子系統(tǒng)中的電路。在人的手指靠近金屬物體時(shí)，普通的人體ESD事件會(huì)在物體中產(chǎn)生高電流放電。得到的電流脈沖可能會(huì)達(dá)到幾安，有非常高的前沿，上升時(shí)間不到1 ns (圖1)。圖1顯示了理想化的ESD波形。

本應(yīng)用指南

﹒闡述怎樣在觸點(diǎn)放電測試和大氣放電測試中檢驗(yàn)脈沖

﹒旨在幫助設(shè)計(jì)人員在一致性測試或預(yù)一致性測試前檢驗(yàn)ESD仿真器發(fā)出的電流脈沖的形狀

﹒涵蓋部分ESD基本原理

﹒描述采用示波器的ESD仿真器基本測試系統(tǒng)

本應(yīng)用指南使用6系MSO示波器，演示ESD調(diào)試技術(shù)。同等配備的4系和5系MSO的設(shè)置和測量實(shí)際上一模一樣，因?yàn)樗鼈兊目刂乒δ芘c6系MSO相同。本文描述的許多技術(shù)也可以用于擁有相應(yīng)性能（特別是上升時(shí)間）的任何專業(yè)級示波器。

人體可以建模成一個(gè)簡單的串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)(圖2)。在電荷形成時(shí)，電容器會(huì)充電到選定數(shù)字的kV。在按下開關(guān)(仿真器觸發(fā)器)時(shí)，這個(gè)電荷會(huì)迅速放電到EUT中。多家制造商提供的仿真器都能復(fù)現(xiàn)非常接近這個(gè)人體模型的電流波形。IEC 61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了這些仿真器必須生成的波形。

圖2. RC網(wǎng)絡(luò)仿真來自人手指的ESD事件

IEC 61000-4-2要求在測試EUT前檢驗(yàn)ESD仿真器的尖端電壓，另外要求檢驗(yàn)得到的電流波形的多個(gè)特點(diǎn)，比如電流峰值、30 ns時(shí)的電流讀數(shù)和60 ns時(shí)的電流讀數(shù)。

可以使用電表或吉?dú)W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(yù)一致性檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)對測量可重復(fù)性的要求要比對上升時(shí)間的要求更嚴(yán)格。為捕獲ESD，必須把示波器設(shè)置成單次(“single-shot”)模式。如果示波器對重復(fù)的上升時(shí)間測量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它準(zhǔn)確地測量任何一種情況的上升時(shí)間，即使多次測量的平均數(shù)異常準(zhǔn)確。單次可重復(fù)性的一個(gè)主要因子是低內(nèi)部噪聲，因此在評估示波器進(jìn)行ESD測試時(shí)要比較噪聲指標(biāo)。這些實(shí)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(yàn)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(shí)的波形。這個(gè)并聯(lián)或ESD靶仿真進(jìn)入大的金屬物體中的放電，比如設(shè)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(huì)規(guī)定使用新式靶

IEC和ANSI標(biāo)準(zhǔn)目前規(guī)定并聯(lián)阻抗<2.1 Ω，但將來修訂版標(biāo)準(zhǔn)中會(huì)變。為了幫助工程師更加準(zhǔn)確地檢驗(yàn)ESD仿真器性能，草議標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在規(guī)定了帶寬更低、阻抗更低的校準(zhǔn)后的(新式) ESD靶。

新靶的阻抗約為1 Ω。目前IEC和ANSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用1 GHz帶寬的靶。草議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用4 GHz帶寬的靶。在設(shè)置測試時(shí)，必須把靶安裝在1.2平方米地面的中心。ANSI C63.16靶指標(biāo)包括4 GHz以下時(shí)反射系數(shù)<0.1 (相當(dāng)于VSWR<1.22)，插損<0.3 dB。這些靶可以在商業(yè)市場上購買。

為完成測試設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。ANSI C63.16要求雙屏蔽電纜，防止信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程中(20世紀(jì)90年代初)，許多工程師使用模擬熒光存儲(chǔ)示波器進(jìn)行這些測量。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(hù)儀器的輸入放大器

測試設(shè)置方框圖如圖4所示。需要使用衰減器，保護(hù)示波器的輸入前置放大器，因?yàn)镋SD靶可能會(huì)產(chǎn)生>50 V的電壓。20 dB衰減器很方便，因?yàn)樗硎?0×衰減，把測得電壓乘10，就可以得到經(jīng)過并聯(lián)的實(shí)際電壓，然后計(jì)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(zhǔn)確地通過最高4 GHz頻率。

選擇示波器

在選擇示波器時(shí)，要特別注意儀器的帶寬、上升時(shí)間和噪聲。為了準(zhǔn)確地測量信號(hào)，且沒有采樣誤差，示波器必須有充足的帶寬。對高斯響應(yīng)示波器，采樣率可能要達(dá)到示波器帶寬的6倍，當(dāng)然更典型的情況是帶寬的4倍。

在使用數(shù)字示波器時(shí)，還必須注意采樣率。數(shù)字示波器在可用帶寬上的響應(yīng)比較平坦，在超過3 dB頻率時(shí)滾降率很陡。因此，采樣率要達(dá)到示波器帶寬的2.5倍，以避免假信號(hào)誤差。

示波器要想準(zhǔn)確地顯示ESD脈沖的上升時(shí)間，必須有充足的帶寬和上升時(shí)間。確定示波器指標(biāo)是否足夠的規(guī)則，會(huì)因模擬示波器和數(shù)字示波器而不同。

對模擬示波器

公認(rèn)的上升時(shí)間和帶寬規(guī)則是：

· 帶寬 = 0.35/(上升時(shí)間)，或上升時(shí)間 = 0.35/帶寬

· 示波器的上升時(shí)間必須小于輸入信號(hào)上升時(shí)間的三分之一，以便使上升時(shí)間測量誤差小于等于5%

對數(shù)字示波器

計(jì)算方法如下：

· 帶寬 ≈0.43/(上升時(shí)間)

· 示波器的上升時(shí)間只要達(dá)到信號(hào)上升時(shí)間的大約0.7倍，就能以百分之幾的精度測量上升時(shí)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(diǎn)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(hào)誤差。

一般來說，人體ESD脈沖的上升時(shí)間要小于200 ps。為準(zhǔn)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(huì)生成50 ps的上升時(shí)間，因此要求8.6 GHz的示波器帶寬。

表1. 系統(tǒng)精度變化會(huì)引起的測量誤差百分比

靶-衰減器-電纜鏈條會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)幅度損耗。不同測試設(shè)置之間的損耗變化，DC ~ 1 GHz時(shí)必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz時(shí)必須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的系統(tǒng)精度變化會(huì)大大影響測量精度。