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滿足EMC嚴苛測試要求，使用示波器檢驗ESD仿真器

2021-06-03 13:30:12 泰克科技

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在設計滿足全球電磁兼容能力(EMC)標準的產品時，靜電放電(ESD)抗擾度測試至關重要。大多數產品都會遵循主要國際標準，比如IEC 61000-4-2和美國ANSI C63.16，都規定了怎樣設置和執行這些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生的ESD，可能會損壞電子系統中的電路。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）的任何專業級示波器。

人體可以建模成一個簡單的串聯RC網絡(圖2)。在電荷形成時，電容器會充電到選定數字的kV。在按下開關(仿真器觸發器)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時的電流讀數和60 ns時的電流讀數。

圖2. RC網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，大多數人發現，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1 MΩ)和數字電壓表。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異常準確。單次可重復性的一個主要因子是低內部噪聲，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產生的噪聲特別低，特別適合這些測試。

使用并聯 – 為校驗ESD仿真器的輸出，必須測量產生的電流流經連接接地的低阻抗高頻電阻并聯時的波形。這個并聯或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可能會規定使用新式靶。

IEC和ANSI標準目前規定并聯阻抗<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，草議標準現在規定了帶寬更低、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標準規定使用1 GHz帶寬的靶。草議標準規定使用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<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。使用優質低損耗電纜連接靶、衰減器和示波器。電纜總長要保持在1米以內，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還規定把示波器放在法拉第籠中，屏蔽示波器受到ESD引發的放射輻射。在標準開發過程中(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數量。

目前，大多數高速數字示波器，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，通常就能防止數字示波器中不想要的觸發。

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，就可以得到經過并聯的實際電壓，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。

在使用數字示波器時，還必須注意采樣率。數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則，會因模擬示波器和數字示波器而不同。

對模擬示波器，公認的上升時間和帶寬規則是：
• 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。

大多數數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，數字示波器的測量精度要更高。其次，數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的系統精度變化會大大影響測量精度。

表1. 系統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<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。把觸發電平設置成剛好高于0?？赡芤晕⒄{節觸發電平，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ESD標準對大多數產品規定觸點放電測試電平為±4 kV，但會因應用或使用環境而變化。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，把垂直標度調到200或400 mV/格(視仿真器的電壓設置而定)，把水平時基調到20 ns/格，以在屏幕上捕獲大多數波形。把觸發模式設置成手動(“Manual”)，把觸發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2.1 Ω靶的峰值ESD電流為7.6 A。
檢驗大氣放電
大多數ESD標準對大多數產品規定的大氣放電測試電平為±8 kV，但會因應用或使用環境而變化。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2.1 Ω靶的峰值ESD電流為11.9 A。
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關鍵詞： EMC 示波器 ESD