满足EMC严苛测试要求，使用示波器检验ESD仿真器

作者：泰克科技

在设计满足全球电磁兼容能力(EMC)标准的产品时，静电放电(ESD)抗扰度测试至关重要。大多数产品都会遵循主要国际标准，比如IEC 61000-4-2和美国ANSI C63.16，都规定了怎样设置和执行这些ESD测试。这些测试要求ESD仿真器，来生成准确的可重复的测试脉冲。

这些标准还规定了必须注入被测设备(EUT)中的电流脉冲的形状和定时。在运行抗扰度测试前，必须检验ESD仿真器生成的电流脉冲拥有正确的形状和上升时间。可以使用校准后的ESD靶和高带宽示波器，检验仿真器的性能。泰克4/5/6系MSOs为这种检验测量提供了理想的选择。

人体接触配电箱或电缆时产生的ESD，可能会损坏电子系统中的电路。在人的手指靠近金属物体时，普通的人体ESD事件会在物体中产生高电流放电。得到的电流脉冲可能会达到几安，有非常高的前沿，上升时间不到1 ns (图1)。图1显示了理想化的ESD波形。


图1. ESD事件产生的电流上升时间不到1 ns。

文中使用6系MSO示波器，演示ESD调试技术。同等配备的4系和5系MSO的设置和测量实际上一模一样，因为它们的控制功能与6系MSO相同。本文描述的许多技术也可以用于拥有相应性能（特别是上升时间）的任何专业级示波器。

人体可以建模成一个简单的串联RC网络(图2)。在电荷形成时，电容器会充电到选定数字的kV。在按下开关(仿真器触发器)时，这个电荷会迅速放电到EUT中。多家制造商提供的仿真器都能复现非常接近这个人体模型的电流波形。IEC 61000-4-2国际标准中规定了这些仿真器必须生成的波形。

IEC 61000-4-2要求在测试EUT前检验ESD仿真器的尖端电压，另外要求检验得到的电流波形的多个特点，比如电流峰值、30 ns时的电流读数和60 ns时的电流读数。


图2. RC网络仿真来自人手指的ESD事件。

可以使用电表或吉欧表测量仿真器的尖端电压。但是，大多数人发现，对简单的预一致性检验测试，可以使用高阻抗高压电阻电压分路器(100 MΩ串联1 MΩ)和数字电压表。电阻器一定要能够耐受最高25 kV电压。IEC和ANSI标准对测量可重复性的要求要比对上升时间的要求更严格。为捕获ESD，必须把示波器设置成单次(“single-shot”)模式。如果示波器对重复的上升时间测量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它准确地测量任何一种情况的上升时间，即使多次测量的平均数异常准确。单次可重复性的一个主要因子是低内部噪声，因此在评估示波器进行ESD测试时要比较噪声指标。这些实例中使用的6系MSO产生的噪声特别低，特别适合这些测试。

使用并联 – 为校验ESD仿真器的输出，必须测量产生的电流流经连接接地的低阻抗高频电阻并联时的波形。这个并联或ESD靶仿真进入大的金属物体中的放电，比如设备箱(图3)。


图3. 两种样式的ESD靶：老式靶(左)和新式靶(右)。新式靶的带宽较高(4 GHz)，未来版本的IEC 61000-4-2可能会规定使用新式靶。

IEC和ANSI标准目前规定并联阻抗<2.1 Ω，但将来修订版标准中会变。为了帮助工程师更加准确地检验ESD仿真器性能，草议标准现在规定了带宽更低、阻抗更低的校准后的(新式) ESD靶。新靶的阻抗约为1 Ω。目前IEC和ANSI标准规定使用1 GHz带宽的靶。草议标准规定使用4 GHz带宽的靶。在设置测试时，必须把靶安装在1.2平方米地面的中心。ANSI C63.16靶指标包括4 GHz以下时反射系数<0.1 (相当于VSWR<1.22)，插损<0.3 dB。

为完成测试设置，需要电缆、衰减器和示波器。使用优质低损耗电缆连接靶、衰减器和示波器。电缆总长要保持在1米以内，这样才能满足IEC和ANSI标准。ANSI C63.16要求双屏蔽电缆，防止信号泄漏影响测量。它还推荐RG-400/U电缆，而RG-214/U尽管是两倍直径，但损耗只有一半，似乎效果更好。还可以使用任何GHz带宽的同轴电缆。

IEC 61000-4-2还规定把示波器放在法拉第笼中，屏蔽示波器受到ESD引发的放射辐射。在标准开发过程中(20世纪90年代初)，许多工程师使用模拟荧光存储示波器进行这些测量。标准之所以规定使用屏蔽层，是为了防止模拟示波器上显示的波形失真。屏蔽层也最大限度地减少了放电放射场引起的假触发数量。

目前，大多数高速数字示波器，包括泰克4/5/6系MSOs，都拥有屏蔽精良的输入电路，因此实践中通常不要求法拉第笼。只需把ESD靶安装在1.2平方米铝片上，通常就能防止数字示波器中不想要的触发。


图4. ESD靶和示波器之间的衰减器保护仪器的输入放大器。

测试设置方框图如图4所示。需要使用衰减器，保护示波器的输入前置放大器，因为ESD靶可能会产生>50 V的电压。20 dB衰减器很方便，因为它表示10×衰减，把测得电压乘10，就可以得到经过并联的实际电压，然后计算出得到的电流。衰减器必须能够处理最高50 V尖峰，衰减器的带宽必须准确地通过最高4 GHz频率。

选择示波器 – 在选择示波器时，要特别注意仪器的带宽、上升时间和噪声。为了准确地测量信号，且没有采样误差，示波器必须有充足的带宽。对高斯响应示波器，采样率可能要达到示波器带宽的6倍，当然更典型的情况是带宽的4倍。

在使用数字示波器时，还必须注意采样率。数字示波器在可用带宽上的响应比较平坦，在超过3 dB频率时滚降率很陡。因此，采样率要达到示波器带宽的2.5倍，以避免假信号误差。

示波器要想准确地显示ESD脉冲的上升时间，必须有充足的带宽和上升时间。确定示波器指标是否足够的规则，会因模拟示波器和数字示波器而不同。
对模拟示波器，公认的上升时间和带宽规则是：

• 带宽 = 0.35/(上升时间)，或上升时间 = 0.35/带宽。
• 示波器的上升时间必须小于输入信号上升时间的三分之一，以便使上升时间测量误差小于等于5%。
对数字示波器，计算方法如下：
• 带宽 ≈0.43/(上升时间)
• 示波器的上升时间只要达到信号上升时间的大约0.7倍，就能以百分之几的精度测量上升时间。

大多数数字示波器的频响比较平坦，与模拟示波器相比，在-3 dB点以下的频率上生成的衰减较少。因此，数字示波器的测量精度要更高。其次，数字示波器的滚降率较陡，有助于降低假信号误差。

一般来说，人体ESD脉冲的上升时间要小于200 ps。为准确显示这种脉冲，要求的带宽约为0.43/(200 ps)，或者2.15 GHz。某些ESD仿真器可能会生成50 ps的上升时间，因此要求8.6 GHz的示波器带宽。

靶-衰减器-电缆链条会产生一定的信号幅度损耗。不同测试设置之间的损耗变化，DC ~ 1 GHz时必须在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz时必须在±0.8 dB。表1显示了<1 dB的系统精度变化会大大影响测量精度。

表1. 系统精度变化会引起的测量误差百分比。


示波器的带宽越高，它捕获ESD脉冲上升沿的精度越高。表2显示了示波器的上升时间直接影响ESD脉冲测得的上升时间。如果脉冲的上升时间为700 ps，那么示波器的带宽至少要达到4 GHz，才能实现<1%的误差。在测量上升时间时，必须把这个误差加到任何系统误差中。

表2. 真实的上升时间与观测到的上升时间与示波器带宽的关系。


为测量ESD脉冲，把示波器设置成单次模式，使用正边沿触发。把触发电平设置成刚好高于0。可能要稍微调节触发电平，以捕获整个波形。把垂直灵敏度设置成200 mV/div或400 mV/div (视选择的仿真器电压而定)，把时基设置成20 ns/div。假设测得的信号是三角形波(为计算简单起见)，那么测得的上升时间为800 ps时，要求的采样率是10 G样点/秒，等于100 ps/样点，或者一个上升沿上8个样点，足以准确地表示样点。

检验触点放电

大多数ESD标准对大多数产品规定触点放电测试电平为±4 kV，但会因应用或使用环境而变化。在图5中，我们演示了捕获+4 kV触电放电脉冲。仿真器地线应连接到地面。在进行触电放电测试时，先把尖端直接放到靶上，然后再触发仿真器。

在实际检验测试过程中，仿真器地线应尽量远离示波器同轴电缆，防止电缆到电缆耦合。标准推荐抓住中间的地线，从地面上拉开。触点放电尖端要一直位于靶的中心(图6)。


图5. 这一测试设置演示了ESD仿真器到靶+4 kV触点放电的检验原理。实际检验要求1.2平方米的铝片地面。由于演示地面的面积减少，我们可以观察到同轴电缆反射，在捕获的波形中导致了纹波。铁氧体扼流圈有助于减少这些反射。


图6. 在触发脉冲前，触点放电尖端应尽可能位于靶的中心。

为在4系、5系、6系MSO上捕获ESD脉冲，把垂直标度调到200或400 mV/格(视仿真器的电压设置而定)，把水平时基调到20 ns/格，以在屏幕上捕获大多数波形。把触发模式设置成手动(“Manual”)，把触发电平设置成高于或低于零伏基线，具体看检验的是正向脉冲还是负向脉冲。


图7. 使用ESD靶捕获典型的+4 kV触点放电。峰值电压是16 V (1.6 V × 10，因为20 dB衰减器)。这表示流经2.1 Ω靶的峰值ESD电流为7.6 A。

检验大气放电

大多数ESD标准对大多数产品规定的大气放电测试电平为±8 kV，但会因应用或使用环境而变化。在图8中，我们演示了捕获+8 kV触点放电脉冲。


图8. 这一测试设置演示了ESD仿真器到靶+8 kV大气放电的检验原理。实际检验要求1.2平方米的铝片地面。由于演示地面的面积减少，我们可以观察到同轴电缆反射，在捕获的波形中导致了纹波。铁氧体扼流圈有助于减少这些反射。


图9. 在大气放电测试过程中以90度接近时，尽量瞄准靶心。新式靶的准确命中难度要大得多。

接近时注意事项 – 大气放电检验变化相当大，取决于接近速度、接近角和湿度。在使用大气放电执行测试时，尽量使用ESD仿真器从90°角以恒定速度接近靶(图9)。让尖端弧到靶，而不是实际接触靶。这样可以最大限度地提高可重复性，但预计波形和峰值电压会出现大量的变化。实例演示中的湿度是45%，一般会令峰值电压测量较正常电压下降。在大气放电测试过程中，可能要记录湿度，因为它对ESD测试结果有着明显影响。这个变量是要求进行触点放电测试的原因之一，因为它本身在上升时间和脉冲形状中要更一致。图10显示了8 kV大气放电捕获。


图10. 使用ESD靶捕获典型的+8 kV触点放电。峰值电压为25 V (2.5 V × 10，因为20 dB衰减器)。这表示流经2.1 Ω靶的峰值ESD电流为11.9 A。