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首先检查ESD模拟器

Kenneth Wyatt?? Wyatt Technical Services?? 2008年12月05日 ?? 收藏0

  当设计符合电磁兼容性(EMC)标准的产品时,必须测试电路对静电放电(ESD)的免疫性。规定如何设置和执行这些测试的标准(参考文献1、2),如IEC 61000-4-2和ANS I C63.16等,要求使用ESD模拟器生成测试脉冲。

  这些标准还规定必须注入被测设备(EUT)电流脉冲的波形和时序,因此在运行免疫性测试之前,必须确认ESD模拟器生成的电流脉冲具有正确的波形和上升时间。模拟器的性能可使用校准的ESD目标和高带宽示波器来验证。

  ESD波形

  由接触机箱或电缆的人生成的ESD可中断电子系统中的电路。当人的手指靠近任何金属物体时,典型人体ESD事件会引起向金属物体大电流放电。由此引起的电流脉冲可能为几安培,在不到1 ns的上升时间内达到极高的前沿(图1)。

ESD事件的电流具有不到1 ns的上升时间

  可用一系列简单的RC网络模拟人体(图2)。随着电荷的积累,电容器充电达到数千伏。当开关关闭时,该电荷迅速释放到EUT中。有多家制造商提供的模拟器可再现非常接近这一人体模型的电流波形。这些模拟器的波形必须按照IEC 61000-4-2的规定生成。

用RC网络模拟来自人的手指的ESD事件

  IEC 61000-4-2要求在测试EUT之前验证ESD模拟器的头电压。它还要求验证引起的电流波形的几项特征,如电流峰值、30 ns时的电流读数,以及60 ns时的电流读数。

  必须使用静电计或千兆欧表(参考文献3)测量模拟器的头电压。我发现,对于预达标测试,可使用简单的高阻抗、高电压电阻分压器(一个与1 MΩ电阻分压器串联的100 MΩ电阻分压器)和数字电压表。确保电阻器最高可承受25 kV。

  使用分流器

  要检查ESD模拟器的输出,必须通过接地的低阻抗、高频电阻分流器测量产生的电流波形。该分流器(或ESD目标)可以模拟向大型金属物体的放电,例如设备机箱。

  IEC和ANSI标准目前规定分流电阻需低于2.1 Ω,但是将来修订时将修改。为了帮助工程师更加准确地验证ESD模拟器的性能,目前草案标准中规定了更高带宽、更低电阻的校准ESD目标。新目标的电阻约为1 Ω。目前,IEC和ANSI标准都规定了1 GHz的带宽目标。这些草案标准规定了4 GHz目标。

  设置测试时,必须在1.2 m2接地层的中心安装该目标。ANSI C63.16目标规范包括不到0.1(等于低于1.22的VSWR)的反射系数和低于最高4 GHz时0.3 dB的插入损耗。

  要完成测试设置,需要电缆、衰减器和示波器。在目标、衰减器和示波器之间需要使用优质的低损耗电缆。应遵照IEC和ANSI标准,使电缆总长度不到1米。ANSI C63.16需要双遮蔽电缆,以防止信号泄漏影响测量。它还建议采用RG-400/U电缆,但RG-214/U(尽管直径为其两倍)的损耗只有一半,似乎运行良好。也可使用任何千兆带宽的同轴电缆。

  IEC 61000-4-2还规定将示波器放在法拉第笼中,以屏蔽ESD引起的辐射干扰影响。在开发该标准期间(20世纪90年代初),许多工程师使用模拟示波器进行这些测量。该标准规定使用屏蔽来防止模拟示波器上显示的波形失真。该屏蔽还可最大限度减少由放电辐射的电磁场引起的虚假触发。

  目前,大多数高速数字示波器都有屏蔽良好的输入电路,因此实际上可能不需要法拉第笼。我发现,在屏蔽良好的示波器中,在1.2 m2的铝片中心安装了ESD目标可以防止不必要的触发。

位于ESD目标和示波器之间的衰减器可保护仪器的输入放大器

  ESD目标可能产生大于50 V的电压,因此需要衰减器来保护示波器的输入前置放大器(图3)。20 dB衰减器表示10倍的衰减,只须将所测电压乘10就可得出分流器两端的实际电压,然后计算产生的电流,所以比较简便。使用的衰减器必须能够处理50V峰值电压,其带宽必须准确传输高达6 GHz的频率。

  谨慎靠近

  在使用空气放电进行测试时,尽力呈直角以匀速接近ESD模拟器的目标。这样可实现最大限度的可重复性,但是可能看到多种不同的波形。对于接触放电测试,在对模拟器进行放电之前,可直接将头端放在目标上。

  目标衰减器电缆将引起一些信号幅值损耗。一种测试设置到另一种测试设置的损耗变化必须是:直流到1GHz为±0.3dB,1GHz到4GHz为±0.8 dB。表1显示,不到1 dB的系统精度变化可能极大地影响测量准确性。

ESD接触放电,当通过20 dB衰减器运行时峰值电压为3 V,但实际为30 V

  图4显示了来自“老式”ESD目标的电流波形,在示波器屏幕上显示为一个电压数。当连接50Ω负载时,目标转移函数近似1 V/A。当ESD脉冲为8 kV时,目标将输出约30 V,但是多数示波器的输入电压限制为10 V,这正是衰减器的作用所在。当通过20 dB衰减器运行信号时,示波器将显示3 V。当测量的ESD放电高达25 kV时,将需要一个额外的20 dB衰减器,以便使信号电平额外降低10倍。

  选择示波器


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