滿足EMC嚴(yán)苛測(cè)試要求，使用示波器檢驗(yàn)ESD仿真器

作者：泰克科技

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(cè)試至關(guān)重要。大多數(shù)產(chǎn)品都會(huì)遵循主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，比如IEC 61000-4-2和美國(guó)ANSI C63.16，都規(guī)定了怎樣設(shè)置和執(zhí)行這些ESD測(cè)試。這些測(cè)試要求ESD仿真器，來(lái)生成準(zhǔn)確的可重復(fù)的測(cè)試脈沖。

這些標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了必須注入被測(cè)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(cè)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(cè)量提供了理想的選擇。

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。

圖1. ESD事件產(chǎn)生的電流上升時(shí)間不到1 ns。

文中使用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(cè)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(jí)示波器。

人體可以建模成一個(gè)簡(jiǎn)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(kāi)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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)。

圖2. RC網(wǎng)絡(luò)仿真來(lái)自人手指的ESD事件。

可以使用電表或吉?dú)W表測(cè)量仿真器的尖端電壓。但是，大多數(shù)人發(fā)現(xiàn)，對(duì)簡(jiǎn)單的預(yù)一致性檢驗(yàn)測(cè)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(duì)測(cè)量可重復(fù)性的要求要比對(duì)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(duì)重復(fù)的上升時(shí)間測(cè)量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它準(zhǔn)確地測(cè)量任何一種情況的上升時(shí)間，即使多次測(cè)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(píng)估示波器進(jìn)行ESD測(cè)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(cè)試。

使用并聯(lián) – 為校驗(yàn)ESD仿真器的輸出，必須測(cè)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(lái)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(lái)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(cè)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。

為完成測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(kāi)發(fā)過(guò)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)得電壓乘10，就可以得到經(jīng)過(guò)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(guò)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(cè)量信號(hào)，且沒(méi)有采樣誤差，示波器必須有充足的帶寬。對(duì)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(guò)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(duì)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(cè)量誤差小于等于5%。

對(duì)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)，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。

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(cè)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(cè)量精度。

表1. 系統(tǒng)精度變化會(huì)引起的測(cè)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(shí)間直接影響ESD脈沖測(cè)得的上升時(shí)間。如果脈沖的上升時(shí)間為700 ps，那么示波器的帶寬至少要達(dá)到4 GHz，才能實(shí)現(xiàn)《1%的誤差。在測(cè)量上升時(shí)間時(shí)，必須把這個(gè)誤差加到任何系統(tǒng)誤差中。

表2. 真實(shí)的上升時(shí)間與觀測(cè)到的上升時(shí)間與示波器帶寬的關(guān)系。

為測(cè)量ESD脈沖，把示波器設(shè)置成單次模式，使用正邊沿觸發(fā)。把觸發(fā)電平設(shè)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(gè)波形。把垂直靈敏度設(shè)置成200 mV/div或400 mV/div （視選擇的仿真器電壓而定），把時(shí)基設(shè)置成20 ns/div。假設(shè)測(cè)得的信號(hào)是三角形波（為計(jì)算簡(jiǎn)單起見(jiàn)），那么測(cè)得的上升時(shí)間為800 ps時(shí)，要求的采樣率是10 G樣點(diǎn)/秒，等于100 ps/樣點(diǎn)，或者一個(gè)上升沿上8個(gè)樣點(diǎn)，足以準(zhǔn)確地表示樣點(diǎn)。

檢驗(yàn)觸點(diǎn)放電

大多數(shù)ESD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大多數(shù)產(chǎn)品規(guī)定觸點(diǎn)放電測(cè)試電平為±4 kV，但會(huì)因應(yīng)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(yīng)連接到地面。在進(jìn)行觸電放電測(cè)試時(shí)，先把尖端直接放到靶上，然后再觸發(fā)仿真器。

在實(shí)際檢驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，仿真器地線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離示波器同軸電纜，防止電纜到電纜耦合。標(biāo)準(zhǔn)推薦抓住中間的地線，從地面上拉開(kāi)。觸點(diǎn)放電尖端要一直位于靶的中心（圖6）。

圖5. 這一測(cè)試設(shè)置演示了ESD仿真器到靶+4 kV觸點(diǎn)放電的檢驗(yàn)原理。實(shí)際檢驗(yàn)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(dǎo)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(diǎn)放電尖端應(yīng)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(biāo)度調(diào)到200或400 mV/格（視仿真器的電壓設(shè)置而定），把水平時(shí)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(shè)置成手動(dòng)（“Manual”），把觸發(fā)電平設(shè)置成高于或低于零伏基線，具體看檢驗(yàn)的是正向脈沖還是負(fù)向脈沖。

圖7. 使用ESD靶捕獲典型的+4 kV觸點(diǎn)放電。峰值電壓是16 V （1.6 V × 10，因?yàn)?0 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(yàn)大氣放電

大多數(shù)ESD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大多數(shù)產(chǎn)品規(guī)定的大氣放電測(cè)試電平為±8 kV，但會(huì)因應(yīng)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(diǎn)放電脈沖。

圖8. 這一測(cè)試設(shè)置演示了ESD仿真器到靶+8 kV大氣放電的檢驗(yàn)原理。實(shí)際檢驗(yàn)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(dǎo)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(cè)試過(guò)程中以90度接近時(shí)，盡量瞄準(zhǔn)靶心。新式靶的準(zhǔn)確命中難度要大得多。

接近時(shí)注意事項(xiàng) – 大氣放電檢驗(yàn)變化相當(dāng)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(cè)試時(shí)，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(shí)際接觸靶。這樣可以最大限度地提高可重復(fù)性，但預(yù)計(jì)波形和峰值電壓會(huì)出現(xiàn)大量的變化。實(shí)例演示中的濕度是45%，一般會(huì)令峰值電壓測(cè)量較正常電壓下降。在大氣放電測(cè)試過(guò)程中，可能要記錄濕度，因?yàn)樗鼘?duì)ESD測(cè)試結(jié)果有著明顯影響。這個(gè)變量是要求進(jìn)行觸點(diǎn)放電測(cè)試的原因之一，因?yàn)樗旧碓谏仙龝r(shí)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(diǎn)放電。峰值電壓為25 V （2.5 V × 10，因?yàn)?0 dB衰減器）。這表示流經(jīng)2.1 Ω靶的峰值ESD電流為11.9 A。