滿足EMC嚴苛測試要求，使用示波器檢驗ESD仿真器

在設計滿足（zú）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（duō）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（de）可重（chóng）複的測試脈衝。

這些標準還（hái）規定了必須注入被（bèi）測設備(EUT)中（zhōng）的電流脈衝的形狀和定時。在運行抗擾度測試（shì）前，必須檢驗ESD仿真器生成的電流脈衝擁有正確的形狀和上升時間。可以使用校（xiào）準後（hòu）的ESD靶（bǎ）和高帶寬示波器（qì），檢驗仿真器的性能。泰克（kè）4/5/6係MSOs為這（zhè）種檢驗（yàn）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，可能會損壞電子係統中的電路。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（shēng）高電流放電。得到的電流脈衝可能會達到幾安，有（yǒu）非常高的（de）前沿，上升時間不到1 ns (圖（tú）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（zhōng）使用6係MSO示波（bō）器，演示ESD調試技術。同等配備的4係和5係MSO的設置和測量（liàng）實際上一模一樣，因為它們的控製功能與6係MSO相（xiàng）同（tóng）。本（běn）文描述的許多技（jì）術也可以用於擁（yōng）有相（xiàng）應性能（特別是上升時間）的（de）任何專業級示波器。

人體可（kě）以建模（mó）成（chéng）一個簡單的串聯RC網絡(圖2)。在電（diàn）荷形成時（shí），電容（róng）器（qì）會充（chōng）電到選（xuǎn）定（dìng）數字的（de）kV。在按下開關（guān）(仿真器觸發器)時，這個電荷會迅速放電到EUT中。多家製造商提供的（de）仿真器（qì）都能複（fù）現非常接近這個人體模（mó）型的電流波形。IEC 61000-4-2國際標（biāo）準中規定了這些仿真器必須生（shēng）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（yào）求檢驗得到的電流波（bō）形的多（duō）個特點，比如電流峰值、30 ns時的電流讀（dú）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（biǎo）測量仿真器的尖.端電壓。但是，大多（duō）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（lù）器(100 MΩ串聯1 MΩ)和（hé）數（shù）字電壓表。電阻器一定要（yào）能夠耐受最高25 kV電壓。IEC和ANSI標（biāo）準對測（cè）量（liàng）可重複性的要求（qiú）要比對上升時間的要求更嚴格。為捕獲（huò）ESD，必須把示波器設（shè）置成單次(“single-shot”)模式。如果示波器對重複的上升時間測量返回了一串不同的答案，那麽就不能（néng）依（yī）靠它準確地測（cè）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。單次可重複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（zhè）些實例中使用的6係MSO產生的噪聲特（tè）別低，特別適合這些測試。

使用並（bìng）聯 – 為校驗ESD仿真器的輸（shū）出（chū），必須測量產生的（de）電流流經連接接地的低阻抗高頻電阻並聯時的波形。這個並聯或ESD靶仿真進入大的金屬物體中的放電，比如設（shè）備箱(圖3)。

圖3. 兩種樣式（shì）的ESD靶：老式靶(左（zuǒ）)和新式靶(右)。新式靶（bǎ）的帶寬較高(4 GHz)，未來版本的IEC 61000-4-2可能（néng）會規定使用新（xīn）式靶。

IEC和ANSI標準目前規定並聯阻（zǔ）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（guī）定了帶寬（kuān）更低、阻抗更低的校準後的(新式) ESD靶。新靶的阻抗約為1 Ω。目前IEC和ANSI標準規（guī）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（bì）須把靶安裝在1.2平方米地麵的（de）中心（xīn）。ANSI C63.16靶指標包括4 GHz以下時反射（shè）係數<0.1 (相當於VSWR<1.22)，插損<0.3 dB。

為完成測試設置，需要（yào）電纜、衰減器和示波器。使用優質低損耗電纜連接靶（bǎ）、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（zú）IEC和ANSI標準（zhǔn）。ANSI C63.16要求雙屏蔽電纜（lǎn），防止信號泄漏影響測量。它還推薦RG-400/U電（diàn）纜，而RG-214/U盡管是兩倍直徑，但損（sǔn）耗隻有一半，似乎效果更好。還可以使用（yòng）任何GHz帶寬（kuān）的同軸電（diàn）纜（lǎn）。

IEC 61000-4-2還規定把示波器放在法拉第籠中，屏蔽示（shì）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（chū）)，許多工程師使用模擬熒光存（cún）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（píng）蔽層也最大限度地（dì）減少了放電放射（shè）場引起的假觸發數量（liàng）。

目前，大多數高速數字示波器，包（bāo）括泰克4/5/6係MSOs，都擁有屏蔽精良的輸入電路（lù），因此實踐中通常不要求法拉第籠。隻需（xū）把ESD靶安裝在1.2平方米鋁片上，通常就能防止數字示（shì）波器中不想（xiǎng）要的觸發。

圖4. ESD靶和示波器之間的衰減器保護（hù）儀器的（de）輸入放（fàng）大器。

測試設（shè）置方框圖如圖4所示。需要使用衰減器，保護示波器（qì）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（cè）得電壓乘10，就可以得到（dào）經過並聯的實際電壓，然後計算出得（dé）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（què）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（shēng）。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（gāo）斯響（xiǎng）應示波器（qì），采樣率可能要（yào）達到示波器帶寬的6倍，當然（rán）更典型的情況是帶寬的4倍。

在使用（yòng）數字示波器（qì）時，還必須注意（yì）采樣率（lǜ）。數字示波器（qì）在可用帶寬上的響應比（bǐ）較平（píng）坦，在超過3 dB頻率時滾降率（lǜ）很陡。因此，采樣率要達到示波器帶寬的（de）2.5倍，以避免假信號誤差。

示波器要想準確地顯示ESD脈衝的上（shàng）升時間，必須有充足的帶寬和上升時間（jiān）。確（què）定示波器指標是否足夠的規則（zé），會因模擬示波器和數字示波器（qì）而不同。

對模（mó）擬示（shì）波（bō）器，*的上升時間和帶寬（kuān）規則是：

• 帶寬= 0.35/(上升（shēng）時間)，或（huò）上升時間= 0.35/帶寬。
• 示波器的上升時間必須（xū）小於輸入信號上升時間的三分之一，以便使上升時（shí）間測量誤差小於等於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（shàng）升時間隻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（jiān）。

大多數數字示（shì）波器的頻響比較平坦，與（yǔ）模擬示波（bō）器相比，在-3 dB點以下的（de）頻率上生成（chéng）的衰減較（jiào）少。因此，數字（zì）示波器的測量精度要更高。其次，數字示波器的滾（gǔn）降率較陡，有助於降低假（jiǎ）信號誤差。

一般（bān）來說，人體ESD脈衝的上升時間要小（xiǎo）於200 ps。為準確顯示這種脈衝，要求（qiú）的帶寬約為0.43/(200 ps)，或者2.15 GHz。某些（xiē）ESD仿真器可能會（huì）生成（chéng）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（bú）同測試設置之間的損耗變化，DC ~ 1 GHz時（shí）必須（xū）在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz時必須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的係統精度變化（huà）會大大影（yǐng）響測量（liàng）精度。

表（biǎo）1. 係統精度變化會引（yǐn）起的測量誤差百分比。

示波器（qì）的帶寬（kuān）越高，它捕獲ESD脈衝上升沿的精度越高。表2顯示了示波器的上升時間直接影（yǐng）響（xiǎng）ESD脈（mò）衝測得的上升時（shí）間。如果脈衝的上升時（shí）間為700 ps，那麽示波器的帶寬至少要（yào）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係統誤差中。

表2. 真實的上升時間與觀測到的上升時間與示波（bō）器帶寬的關係。

為測量ESD脈衝，把（bǎ）示波器設置成單（dān）次模式，使用（yòng）正邊沿觸發（fā）。把觸（chù）發電平設置（zhì）成剛好高於0。可能要稍微調節觸發電平，以捕獲整個波形。把（bǎ）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)，那麽測得的上升（shēng）時間為800 ps時，要求的（de）采樣率是10 G樣點/秒，等於100 ps/樣點（diǎn），或者一個上升沿上（shàng）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（duì）大（dà）多數產品規定觸點放電測試電平（píng）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觸電放電脈衝。仿真器（qì）地線應連接到地麵。在進行（háng）觸電放電測試時，先把尖（jiān）.端（duān）直（zhí）接放到靶上，然後再（zài）觸發仿真器。

在實際檢驗測試過程中，仿真（zhēn）器地線（xiàn）應盡量遠離示波器同（tóng）軸電纜，防（fáng）止電纜到（dào）電纜耦合。標準推薦抓住中間的地（dì）線，從地麵上拉開。觸點放電（diàn）尖.端（duān）要（yào）一直位於靶的中心(圖（tú）6)。

圖5. 這一（yī）測試設置演示了ESD仿真器到靶+4 kV觸點放電的檢驗原理（lǐ）。實際檢驗要求1.2平方米的鋁片地麵。由於演示地麵的麵（miàn）積減少（shǎo），我們可以觀（guān）察到（dào）同軸（zhóu）電纜反射，在捕（bǔ）獲的波形中導致了紋波。鐵氧體扼流圈有助於減少這些反射。

圖6. 在（zài）觸發脈衝前，觸點放電尖.端應盡可能位於靶的中心。

為在4係、5係、6係MSO上（shàng）捕獲ESD脈衝，把垂直標度調（diào）到200或400 mV/格(視仿真器的電壓設置（zhì）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（shì）設置成手動(“Manual”)，把觸發電平設置成高於或低於零伏基線，具體看檢驗的是正（zhèng）向脈衝還是負（fù）向脈衝。

圖7. 使用（yòng）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（yīn）為20 dB衰減器)。這（zhè）表示流經2.1 Ω靶的峰值ESD電流為7.6 A。

檢（jiǎn）驗大氣放電

大多數ESD標準對大多（duō）數產品規定（dìng）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（mò）衝。

圖8. 這一測試設（shè）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平方米的鋁片地麵（miàn）。由於演示地麵（miàn）的麵積減少，我們可以觀察到同軸電纜反射，在捕獲（huò）的波形中導致（zhì）了紋波。鐵（tiě）氧體扼流圈有助於減少這些反射。

圖9. 在大氣放電測試過程中以90度接近時，盡（jìn）量瞄準靶心。新式靶的（de）準確命中（zhōng）難度要大得多。

接近時注意事項 – 大氣放電檢驗變化相當（dāng）大，取決於接近速度、接（jiē）近角和濕度。在使用大（dà）氣放電執行測試時，盡量使（shǐ）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（ér）不是實際接觸靶。這樣可以最大限度地提高可重複性，但（dàn）預計波形和峰值電壓會出現（xiàn）大量的變化。實（shí）例演（yǎn）示中的（de）濕度是45%，一般會令峰值電壓（yā）測量較正常電壓下（xià）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（gè）變量是要求進行觸（chù）點放電測試（shì）的原因之一，因（yīn）為它本身在上升時間和脈衝形狀中（zhōng）要更一致。圖10顯示了8 kV大氣放電（diàn）捕獲。

圖10. 使用ESD靶捕獲典型的+8 kV觸點放電。峰值電（diàn）壓為25 V (2.5 V ×10，因為（wéi）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。