便攜式產(chǎn)品ESD的測(cè)量技術(shù)

便攜式產(chǎn)品ESD的測(cè)量技術(shù)

電子系統(tǒng)的靜電放電(ESD)魯棒性性能測(cè)試通常采用IEC 61000-4-2作為標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了每個(gè)電壓等級(jí)下的沖擊電流波形、如何校準(zhǔn)ESD脈沖源、用于測(cè)量的測(cè)試環(huán)境、測(cè)試通過(guò)與失敗的判據(jù)，此外還提供了如何進(jìn)行測(cè)試的指南。

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但在對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)，人們并不知道被測(cè)單元實(shí)際能承受多大應(yīng)力沖擊。對(duì)在受沖擊情況下沒有接地的便攜式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)尤其正確。誠(chéng)然，在便攜式電池供電產(chǎn)品的ESD測(cè)試中，測(cè)量實(shí)際沖擊電流是有可能的，甚至還可能通過(guò)簡(jiǎn)單地計(jì)算，展示如何從測(cè)量中獲得額外的信息。

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對(duì)于小型產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，工程師經(jīng)常在專門的測(cè)試環(huán)境中執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試(圖1)。對(duì)IEC 61000-4-2測(cè)試而言，這些測(cè)試環(huán)境包括：地板上的金屬接地板、木桌、放在桌子上的金屬水平耦合板(到接地板有個(gè)0.95米長(zhǎng)的連線，在水平耦合板之上的一個(gè)0.5mm絕緣層)。

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圖1

這樣的測(cè)試環(huán)境必然能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的結(jié)果。首先，將被測(cè)設(shè)備(EUT)放在絕緣表面上，然后從不同的方向?qū)UT施加沖擊。例如，給導(dǎo)電表面施加接觸放電，這些表面包括所有金屬外殼和連接器的接地金屬殼。也可以向四周絕緣表面進(jìn)行空氣放電，并將重點(diǎn)放在可能的ESD路徑上，比如設(shè)備外殼中的縫隙以及所有通風(fēng)孔及鍵盤。

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間接放電測(cè)試也是工作的一部分，特別是在水平和垂直耦合板上進(jìn)行間接放電，以模擬由相鄰物體中的ESD事件引起的電磁干擾(EMI)效應(yīng)。對(duì)設(shè)計(jì)師工程師來(lái)說(shuō)，使事情變得更加困難和復(fù)雜的是施加到EUT上的實(shí)際沖擊大小在這些測(cè)量中并不總是很明顯。

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這里用一個(gè)便攜式電池供電的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)作為例子。首先，向USB端口的金屬接地外殼施加接觸放電模式的沖擊，然后用具有1GHz上限帶寬的變壓器類型電流探頭(最好是Fischer Custom Communications公司的F-65A)測(cè)量電流，并連接到標(biāo)準(zhǔn)的1GHz帶寬示波器。請(qǐng)注意，探頭內(nèi)徑需要足夠大，以便適配IEC 61000-4-2兼容ESD qiang的約12mm直徑頭子。

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圖2

為簡(jiǎn)化對(duì)這個(gè)特殊例子的描述，測(cè)量參考基準(zhǔn)是直接位于桌面上的0.6平方米接地板，不再使用完整的IEC測(cè)試裝置(圖2)。ESD qiang的接地線連接到接地板的一個(gè)角。所有測(cè)量都在8kV電壓下進(jìn)行。第一次測(cè)量直接到接地板中心。這些測(cè)量結(jié)果采用擴(kuò)展時(shí)間刻度。

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圖3

在第二次測(cè)量過(guò)程中，測(cè)試工程師將PDA面朝下放在接地板上，以方便接觸微型USB連接器的金屬屏蔽殼。進(jìn)入PDA的電流遠(yuǎn)小于直接注入接地板的電流(圖3)。為進(jìn)一步減小電流，在PDA和接地板之間插入0.9cm的絕緣層。

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圖4

但是，我們見到的電流減小前后并不一致。當(dāng)PDA直接放在接地板上時(shí)，初始電流尖峰降低了10%。當(dāng)PDA放在0.9cm絕緣層上時(shí)，初始電流尖峰減低33%(圖 4)。在20ns點(diǎn)，直接放在接地板上的PDA受到的沖擊要小69%，而位于絕緣層上的PDA受到的沖擊要小93%。電流減少是在沖擊狀態(tài)下給PDA充電的結(jié)果。在每次沖擊測(cè)試過(guò)程結(jié)束后，我們必須將PDA接地使它回到未充電狀態(tài)才能進(jìn)行下次測(cè)量。

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圖5

圖5所示原理圖可以用來(lái)很好地定量理解上述測(cè)量。150pF電容和330Ω電阻對(duì)IEC 61000-4-2兼容ESD qiang來(lái)說(shuō)是標(biāo)準(zhǔn)電路元件。qiang與接地板之間的寄生電容提供了IEC 61000-4-2電流波形中包含的初始電流尖峰。這種寄生電容值只有幾個(gè)pF，在定量討論中我們可以忽略不計(jì)。

工程師將電流探頭放在放電qiang的尖端周圍，然后開始直接向接地板放電，如圖中的短線所示。對(duì)圖3中直接放電到接地板的電流在300ns時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分，可以得到1.21 μC的電量。這個(gè)電容幾乎完全等于給150pF電容充電到8kV所預(yù)測(cè)的電容量。

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向PDA的放電通過(guò)一個(gè)并行平板電容表示，其中一個(gè)極板是PDA的一部分，另一個(gè)極板是接地板。在脈沖初期，PDA電容提供較低的阻抗，注入進(jìn)PDA的電流近似于到地的放電電流。繼續(xù)施加脈沖，電荷在PDA到接地板電容中累積，因此PDA上的電位上升，直到PDA和接地板之間的電位和150pF電容上的電壓相等。這時(shí)，不再有電流流動(dòng)，即使ESD qiang的電容還沒有完全放電。

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對(duì)充電到PDA的電流進(jìn)行積分，可以得到從ESD qiang轉(zhuǎn)移到PDA的電荷數(shù)量。從ESD qiang轉(zhuǎn)移到PDA的電荷量可以用來(lái)計(jì)算ESD qiang的150pF電容上剩下的電壓，然后再算出PDA上的電壓。理解這個(gè)電壓以及PDA上測(cè)到的電荷之后，就可以計(jì)算出PDA和接地板之間的電容(見表1)。

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測(cè)量結(jié)果表明，直接放在接地板上的PDA充電到6,253V，而位于0.9cm絕緣層上的PDA充電到7,381V。這些數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)于兩種情況下的41.9pF和12.6pF電容。利用1kHz電感、電容和電阻計(jì),對(duì)直接放在接地板上的PDA進(jìn)行電容測(cè)量，結(jié)果是34pF。鑒于測(cè)量技術(shù)的不同，這個(gè)結(jié)果相當(dāng)合理。

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測(cè)量表明，來(lái)自ESD qiang的電流在電子系統(tǒng)承受ESD沖擊期間是可測(cè)量的。在本例中我們發(fā)現(xiàn)，像PDA或手機(jī)等便攜式系統(tǒng)上的沖擊能量要比源自ESD qiang的全部沖擊能量要小得多。

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一個(gè)簡(jiǎn)單電路模型和基于測(cè)量電流的計(jì)算可以生成許多有用的信息，如轉(zhuǎn)移到被測(cè)系統(tǒng)的電荷、系統(tǒng)升高的電壓以及系統(tǒng)接地電容的近似值。在初始電流尖峰中的峰值電流不會(huì)像余下電流波形一樣降得那么多。

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這個(gè)結(jié)果與模型也是一致的。在這個(gè)模型中，PDA的接地電容提供了初始電流尖峰的低阻抗到地路徑。這種測(cè)量技術(shù)可以用在空隙放電的情況，只要到電流探頭的意外放電不被解釋為到被測(cè)設(shè)備的放電。