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便攜式產品ESD的測量技術
摘要: 電子系統的靜電放電(ESD)魯棒性性能測試通常采用IEC61000-4-2作為標準。
Abstract:
Key words :

電子系統的靜電放電(ESD)魯棒性性能測試通常采用IEC 61000-4-2作為標準。這個標準定義了每個電壓等級下的沖擊電流波形、如何校準ESD脈沖源、用于測量的測試環境、測試通過與失敗的判據,此外還提供了如何進行測試的指南。

 

但在對電子系統進行ESD測試時,人們并不知道被測單元實際能承受多大應力沖擊。對在受沖擊情況下沒有接地的便攜式產品來說,這點尤其正確。誠然,在便攜式電池供電產品的ESD測試中,測量實際沖擊電流是有可能的,甚至還可能通過簡單地計算,展示如何從測量中獲得額外的信息。

 

對于小型產品來說,工程師經常在專門的測試環境中執行系統級ESD測試(圖1)。對IEC 61000-4-2測試而言,這些測試環境包括: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0.95米長的連線,在水平耦合板之上的一個0.5mm絕緣層)。

 


圖1

這樣的測試環境必然能實現可重復的結果。首先,將被測設備(EUT)放在絕緣表面上,然后從不同的方向對EUT施加沖擊。例如,給導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行空氣放電,并將重點放在可能的ESD路徑上,比如設備外殼中的縫隙以及所有通風孔及鍵盤。

 

間接放電測試也是工作的一部分,特別是在水平和垂直耦合板上進行間接放電,以模擬由相鄰物體中的ESD事件引起的電磁干擾(EMI)效應。對設計師工程師來說,使事情變得更加困難和復雜的是施加到EUT上的實際沖擊大小在這些測量中并不總是很明顯。

 

這里用一個便攜式電池供電的個人數字助理(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)測量電流,并連接到標準的1GHz帶寬示波器。請注意,探頭內徑需要足夠大,以便適配IEC 61000-4-2兼容ESD qiang的約12mm直徑頭子。

 


圖2

為簡化對這個特殊例子的描述,測量參考基準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測試裝置(圖2)。ESD qiang的接地線連接到接地板的一個角。所有測量都在8kV電壓下進行。第一次測量直接到接地板中心。這些測量結果采用擴展時間刻度。

 


圖3

在第二次測量過程中,測試工程師將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。進入PDA的電流遠小于直接注入接地板的電流(圖3)。為進一步減小電流,在PDA和接地板之間插入0.9cm的絕緣層。

 

圖4

 

 

 

但是,我們見到的電流減小前后并不一致。當PDA直接放在接地板上時,初始電流尖峰降低了10%。當PDA放在0.9cm絕緣層上時,初始電流尖峰減低33%(圖 4)。在20ns點,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下給PDA充電的結果。在每次沖擊測試過程結束后,我們必須將PDA接地使它回到未充電狀態才能進行下次測量。

 


圖5

圖5所示原理圖可以用來很好地定量理解上述測量。150pF電容和330Ω電阻對IEC 61000-4-2兼容ESD qiang來說是標準電路元件。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pF,在定量討論中我們可以忽略不計。

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。對圖3中直接放電到接地板的電流在300ns時間內進行積分,可以得到1.21 μC的電量。這個電容幾乎完全等于給150pF電容充電到8kV所預測的電容量。

 

向PDA的放電通過一個并行平板電容表示,其中一個極板是PDA的一部分,另一個極板是接地板。在脈沖初期,PDA電容提供較低的阻抗,注入進PDA的電流近似于到地的放電電流。繼續施加脈沖,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,不再有電流流動,即使ESD qiang的電容還沒有完全放電。

 

對充電到PDA的電流進行積分,可以得到從ESD qiang轉移到PDA的電荷數量。從ESD qiang轉移到PDA的電荷量可以用來計算ESD qiang的150pF電容上剩下的電壓,然后再算出PDA上的電壓。理解這個電壓以及PDA上測到的電荷之后,就可以計算出PDA和接地板之間的電容(見表1)。

 

測量結果表明,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。這些數據分別對應于兩種情況下的41.9pF和12.6pF電容。利用1kHz電感、電容和電阻計,對直接放在接地板上的PDA進行電容測量,結果是34pF。鑒于測量技術的不同,這個結果相當合理。

 

測量表明,來自ESD qiang的電流在電子系統承受ESD沖擊期間是可測量的。在本例中我們發現,像PDA或手機等便攜式系統上的沖擊能量要比源自ESD qiang的全部沖擊能量要小得多。

 

一個簡單電路模型和基于測量電流的計算可以生成許多有用的信息,如轉移到被測系統的電荷、系統升高的電壓以及系統接地電容的近似值。在初始電流尖峰中的峰值電流不會像余下電流波形一樣降得那么多。

 

這個結果與模型也是一致的。在這個模型中,PDA的接地電容提供了初始電流尖峰的低阻抗到地路徑。這種測量技術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設備的放電

 

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