滿(mǎn)足EMC嚴苛測試要求，使用示波器檢驗ESD仿真器

在設計滿(mǎn)足電磁兼容能力(EMC)標準的產(chǎn)品時(shí)，靜電放電(ESD)抗擾度測試至關(guān)重要。大多數產(chǎn)品都會(huì )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(lái)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(shí)。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(shí)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(shí)產(chǎn)生的ESD，可能會(huì )損壞電子系統中的電路。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調試技術(shù)。同等配備的4系和5系MSO的設置和測量實(shí)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(shù)也可以用于擁有相應性能（特別是上升時(shí)間）的任何專(zhuān)業(yè)級示波器。

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現非常接近這個(gè)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(gè)特點(diǎn)，比如電流峰值、30 ns時(shí)的電流讀數和60 ns時(shí)的電流讀數。

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

可以使用電表或吉歐表測量仿真器的尖.端電壓。但是，大多數人發(fā)現，對簡(jiǎn)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(shí)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(shí)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(shí)間，即使多次測量的平均數異常準確。單次可重復性的一個(gè)主要因子是低內部噪聲，因此在評估示波器進(jìn)行ESD測試時(shí)要比較噪聲指標。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 )規定使用新式靶。

IEC和ANSI標準目前規定并聯(lián)阻抗<2.1 Ω，但將來(lái)修訂版標準中會(huì )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(shí)，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(shí)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(yōu)質(zhì)低損耗電纜連接靶、衰減器和示波器。電纜總長(cháng)要保持在1米以?xún)?，這樣才能滿(mǎn)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(fā)的放射輻射。在標準開(kāi)發(fā)過(guò)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(jìn)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(chǎng)引起的假觸發(fā)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(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(huì )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(guò)并聯(lián)的實(shí)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(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。為了準確地測量信號，且沒(méi)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(shí)，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(guò)3 dB頻率時(shí)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(shí)間，必須有充足的帶寬和上升時(shí)間。確定示波器指標是否足夠的規則，會(huì )因模擬示波器和數字示波器而不同。

對模擬示波器，*的上升時(shí)間和帶寬規則是：

• 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%。
對數字示波器，計算方法如下：
• 帶寬 ≈0.43/(上升時(shí)間)
• 示波器的上升時(shí)間只要達到信號上升時(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。

大多數數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(lái)說(shuō)，人體ESD脈沖的上升時(shí)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(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)生一定的信號幅度損耗。不同測試設置之間的損耗變化，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的系統精度變化會(huì )大大影響測量精度。

表1. 系統精度變化會(huì )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(shí)間直接影響ESD脈沖測得的上升時(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到4 GHz，才能實(shí)現<1%的誤差。在測量上升時(shí)間時(shí)，必須把這個(gè)誤差加到任何系統誤差中。

表2. 真實(shí)的上升時(shí)間與觀(guān)測到的上升時(shí)間與示波器帶寬的關(guān)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{節觸發(fā)電平，以捕獲整個(gè)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(shí)基設置成20 ns/div。假設測得的信號是三角形波(為計算簡(jiǎn)單起見(jiàn))，那么測得的上升時(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)，足以準確地表示樣點(diǎn)。

檢驗觸點(diǎn)放電

大多數ESD標準對大多數產(chǎn)品規定觸點(diǎn)放電測試電平為±4 kV，但會(huì )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(xiàn)應連接到地面。在進(jìn)行觸電放電測試時(shí)，先把尖.端直接放到靶上，然后再觸發(fā)仿真器。

在實(shí)際檢驗測試過(guò)程中，仿真器地線(xiàn)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(xiàn)，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. 這一測試設置演示了ESD仿真器到靶+4 kV觸點(diǎn)放電的檢驗原理。實(shí)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(guān)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(fā)脈沖前，觸點(diǎn)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(shí)基調到20 ns/格，以在屏幕上捕獲大多數波形。把觸發(fā)模式設置成手動(dòng)(“Manual”)，把觸發(fā)電平設置成高于或低于零伏基線(xiàn)，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(diǎn)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ESD標準對大多數產(chǎn)品規定的大氣放電測試電平為±8 kV，但會(huì )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(diǎn)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(shí)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(guān)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(guò)程中以90度接近時(shí)，盡量瞄準靶心。新式靶的準確命中難度要大得多。

接近時(shí)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(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性，但預計波形和峰值電壓會(huì )出現大量的變化。實(shí)例演示中的濕度是45%，一般會(huì )令峰值電壓測量較正常電壓下降。在大氣放電測試過(guò)程中，可能要記錄濕度，因為它對ESD測試結果有著(zhù)明顯影響。這個(gè)變量是要求進(jìn)行觸點(diǎn)放電測試的原因之一，因為它本身在上升時(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。