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如何使用示波器檢驗ESD仿真器?

發(fā)布時間:2021-06-03 來源:泰克科技 責任編輯:lina

【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。可以使用校準后的ESD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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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)。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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)。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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)。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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??赡芤晕⒄{(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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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。
 
如何使用示波器檢驗ESD仿真器?
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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