滿足EMC嚴苛測試要求，使用（yòng）示波器檢驗（yàn）ESD仿真器

在設計（jì）滿足電磁兼容能力(EMC)標（biāo）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（yào）國際標準，比如IEC 61000-4-2和美國ANSI C63.16，都規定了（le）怎樣設置和執行這些ESD測試。這些測試要求ESD仿真器，來生成準確的可重複（fù）的測試脈衝。

這些標（biāo）準還規定了必須注入被測設備(EUT)中的電流脈衝的形狀（zhuàng）和定時。在運行抗擾度測試（shì）前，必須檢（jiǎn）驗ESD仿真器生（shēng）成的電（diàn）流脈衝擁有正（zhèng）確（què）的形狀和上升時（shí）間。可以使（shǐ）用校（xiào）準後（hòu）的ESD靶和高帶寬示波器，檢驗仿真器的性能。泰克4/5/6係（xì）MSOs為這（zhè）種檢驗測量提供了（le）理想的選擇。

人體接觸配電箱或電纜時產生的ESD，可能會（huì）損壞電（diàn）子係統（tǒng）中的電路。在人的手（shǒu）指靠近金屬物體時，普通（tōng）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（mò）衝可能會達到幾安，有非常高的前沿，上升時間不到1 ns (圖1)。圖1顯（xiǎn）示了理想化（huà）的ESD波形（xíng）。

圖1. ESD事（shì）件產生的電流上升時間不（bú）到1 ns。

文中使（shǐ）用6係MSO示波器，演示ESD調試技術。同（tóng）等配備的4係和5係MSO的設置（zhì）和測量實際上一模一樣，因為它們的控製功能與6係（xì）MSO相同。本文描（miáo）述的許多技術也可以用於（yú）擁有相應性能（特別是上升時間）的任何專業級示波器。

人體可以建模成一個簡單的串聯RC網絡(圖2)。在電荷形成時，電容器會充電到選定數字的kV。在按下開關(仿真器觸發器)時，這個電（diàn）荷會迅速放電到EUT中。多家製造商提供的仿真器都（dōu）能複現非常（cháng）接近這個人體模型的電（diàn）流（liú）波形（xíng）。IEC 61000-4-2國際標準中規定了這些（xiē）仿真器必須生成的波（bō）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（jiǎn）驗得到的電流波形（xíng）的多個特點，比如電流峰值、30 ns時的電流讀數和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測量仿真器（qì）的（de）尖.端電壓。但是（shì），大多（duō）數（shù）人發現，對簡單（dān）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1 MΩ)和數（shù）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（duì）測量可重複性的要求要比對上升時（shí）間的要求更嚴格。為捕獲ESD，必（bì）須把示（shì）波器設置成單次(“single-shot”)模（mó）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，那麽就不能依靠它準確地（dì）測量任何一種情況（kuàng）的上升時間，即使多次測量的（de）平均數異常準確。單（dān）次可重複性的一個主要因子是低內部噪聲，因此在評估示（shì）波器進行ESD測試時要比較噪聲指標（biāo）。這些實例中使用（yòng）的6係MSO產生的噪聲特別低，特別適合這些測試。

使（shǐ）用並聯 – 為校驗ESD仿真器的輸出，必須測量產（chǎn）生的電流流經連接接地（dì）的低阻抗高頻電阻並聯時的波形（xíng）。這個並聯或ESD靶仿真進入大的金屬（shǔ）物（wù）體中的放電，比如設備（bèi）箱(圖3)。

圖3. 兩種樣式的ESD靶：老（lǎo）式靶(左)和新式靶(右)。新式（shì）靶的帶（dài）寬較高(4 GHz)，未來版本的IEC 61000-4-2可能會規定使用新（xīn）式（shì）靶（bǎ）。

IEC和ANSI標準目前規定並聯阻抗<2.1 Ω，但將來修（xiū）訂版標準中會（huì）變。為了幫助（zhù）工程師更加準確（què）地檢驗ESD仿真器（qì）性能，草議標（biāo）準（zhǔn）現在規定了帶（dài）寬更（gèng）低、阻抗更低的校（xiào）準後的(新式（shì）) ESD靶。新靶的阻抗約為1 Ω。目前IEC和ANSI標準規（guī）定（dìng）使用1 GHz帶寬的靶。草（cǎo）議標準規定使用4 GHz帶寬的靶（bǎ）。在設置測試（shì）時，必須把靶安裝在（zài）1.2平（píng）方米地（dì）麵的（de）中心（xīn）。ANSI C63.16靶指（zhǐ）標包括4 GHz以下時反射係數（shù）<0.1 (相當於VSWR<1.22)，插損（sǔn）<0.3 dB。

為完成測試設置，需要電纜、衰（shuāi）減器和示波器。使用優質低損耗電纜連接靶、衰（shuāi）減器和示波器。電纜總長要保持在（zài）1米以內，這樣才能滿足IEC和ANSI標（biāo）準。ANSI C63.16要求雙屏蔽電纜，防止信（xìn）號泄（xiè）漏影響測量。它還推薦RG-400/U電纜（lǎn），而RG-214/U盡管是（shì）兩（liǎng）倍（bèi）直徑，但損耗隻有一半，似乎效果更好。還（hái）可以使用任何（hé）GHz帶寬的（de）同（tóng）軸電纜。

IEC 61000-4-2還規定把示波器放在法拉第籠中，屏蔽（bì）示波器受到ESD引發的放射輻射。在（zài）標準開發過程（chéng）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行這些（xiē）測量。標準之所以規（guī）定使用屏蔽層，是為了防（fáng）止模擬示波器上顯示的波形失真。屏蔽（bì）層也最大限度地（dì）減少了放電放射場引起（qǐ）的假觸發數量。

目前，大多數高（gāo）速數字示波器，包括泰克4/5/6係MSOs，都擁有屏蔽精良的輸入電路，因此實踐（jiàn）中通常不要求法拉第籠。隻需把ESD靶安裝在1.2平（píng）方米鋁片（piàn）上，通常就能防止數字（zì）示波器中不想要的觸發。

圖4. ESD靶和示波器之間的（de）衰減器（qì）保護儀器的輸入放大器。

測試設置方（fāng）框圖如圖4所（suǒ）示。需要使用衰減器（qì），保護示波器的輸入前置放大（dà）器，因為ESD靶可能會產生>50 V的電（diàn）壓。20 dB衰減器很方（fāng）便，因為它表示10×衰減，把（bǎ）測得電壓乘10，就可以得（dé）到經過並聯（lián）的實際電壓，然後計算出得到的電流。衰減器必須能（néng）夠處理最高50 V尖峰，衰減（jiǎn）器的（de）帶（dài）寬必須準（zhǔn）確地通過最高4 GHz頻率（lǜ）。

選擇示波器 – 在選擇示波器時，要特（tè）別注意儀器的帶寬、上升時間和（hé）噪聲。為了準確（què）地測量信號，且沒有采樣誤差，示波器必須有充足的帶寬。對高斯（sī）響應示波器，采樣率可（kě）能要達到示波器帶寬的6倍，當然更典（diǎn）型的情況是帶（dài）寬的4倍。

在使用數字示（shì）波（bō）器時，還必須注意采樣率。數字示波器在可（kě）用帶寬上的響應比較平坦，在超過3 dB頻率時滾（gǔn）降率很陡。因此，采樣率要達到示波器帶寬的2.5倍，以（yǐ）避免假信號誤差。

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

對模擬示波器，*的上升時間和帶寬規（guī）則是：

• 帶寬= 0.35/(上升時間)，或上升時間= 0.35/帶寬。
• 示波器的上升時間必須小於輸（shū）入信號上升時間（jiān）的三分之一，以便使上升時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（shì）波（bō）器的上升（shēng）時間（jiān）隻要達到（dào）信號上升時間的大約0.7倍，就能以百分之幾的精（jīng）度測量上升時間。

大多數數字示波（bō）器的頻響比較平坦，與模擬示波器（qì）相比，在-3 dB點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（jiào）陡，有（yǒu）助於降低假信號誤差。

一般來說，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，要求的帶寬約為0.43/(200 ps)，或者2.15 GHz。某些ESD仿真器可能會生成50 ps的上升時間（jiān），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（fú）度損耗。不（bú）同測試設置（zhì）之間的損（sǔn）耗變化，DC ~ 1 GHz時必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz時必（bì）須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的係統精度變（biàn）化會大大影（yǐng）響測量精度。

表1. 係統精度變化會引起的（de）測量誤差百分比。

示波器的帶寬越高（gāo），它捕獲ESD脈衝上升（shēng）沿（yán）的（de）精度越高。表2顯示了示波器的上升時間（jiān）直接影響ESD脈衝測得的上升時間。如果脈衝的上升時間（jiān）為700 ps，那麽示波器的帶寬至少要達到4 GHz，才能實（shí）現<1%的誤差（chà）。在測量上升時間時，必須把這（zhè）個誤差加到任何係統誤差中。

表2. 真實的上升時間（jiān）與觀測到的上升時間與示波（bō）器帶寬（kuān）的（de）關係（xì）。

為測量ESD脈衝，把示波器設置成單次模式，使用正邊沿觸發。把觸（chù）發電平設置成剛好高於0。可能要稍微調節觸發電平，以捕獲整個波形。把垂直靈敏度設置成200 mV/div或400 mV/div (視選擇（zé）的（de）仿真器電壓而定（dìng）)，把時基設置成20 ns/div。假設測得的信號是三角形波（bō）(為計算簡單起見)，那（nà）麽測得的上升時間為800 ps時，要求的采樣率是（shì）10 G樣點/秒，等於100 ps/樣點，或者一個上升沿上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）大多數產品規（guī）定觸點放電測試電平為±4 kV，但會因應用或使用環（huán）境而變化。在圖5中，我們演示了捕獲+4 kV觸電放電脈衝。仿真器地線應連接到地麵（miàn）。在進行觸電放電測試時，先把尖.端直接放到（dào）靶上，然後再觸發仿真器。

在實際檢驗測試過（guò）程中，仿真器地線應盡量遠離示波（bō）器同軸電纜，防止電纜到電纜耦（ǒu）合。標準推薦抓住（zhù）中間的地線，從地麵上拉開（kāi）。觸點放電尖.端要一直位（wèi）於靶的中心(圖6)。

圖5. 這一測試設置演示了ESD仿真器到靶+4 kV觸點放電的檢驗原理。實際（jì）檢驗要求1.2平方米的鋁（lǚ）片地麵。由於演示地麵的麵積減少，我們可以觀察到同軸電纜反射，在捕獲的波形中導致了紋（wén）波。鐵氧體扼流圈（quān）有助於減少這些反射。

圖（tú）6. 在觸發脈（mò）衝前，觸點放電尖.端應盡可能位於靶的中心（xīn）。

為在4係、5係（xì）、6係（xì）MSO上捕獲ESD脈衝，把垂直（zhí）標度調到200或400 mV/格(視仿真器的電壓設（shè）置（zhì）而定)，把水平時基調到（dào）20 ns/格，以在屏幕上捕獲大多數波形。把（bǎ）觸發模式設置成手動(“Manual”)，把觸發電平設置成高於或低於零伏基線，具體看檢驗的（de）是（shì）正向脈衝還是負向脈衝。

圖7. 使用ESD靶捕（bǔ）獲典型的+4 kV觸點放電。峰值電壓是16 V (1.6 V ×10，因為20 dB衰（shuāi）減器)。這表示流經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（zhǔn）對大多數產品規定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（huà）。在圖8中，我們演示了捕獲（huò）+8 kV觸點放電脈衝。

圖8. 這一測試設置演（yǎn）示了ESD仿真器到靶（bǎ）+8 kV大氣放（fàng）電的檢驗原理。實（shí）際檢驗要求1.2平方米的鋁片地麵。由於演示地麵的麵積減少，我們可以觀察到同（tóng）軸電（diàn）纜反射，在捕獲的（de）波形中（zhōng）導致了紋波。鐵氧體扼流圈有助於減少這些反射。

圖（tú）9. 在大氣放電測試過程（chéng）中以90度接近時，盡量瞄準靶心。新式靶的準確命中難度要（yào）大得多。

接近時注意事項 – 大氣放電檢驗變化相當大，取決於接近（jìn）速度（dù）、接近角和濕度（dù）。在使用大氣放電執行測試時，盡（jìn）量使用ESD仿真器從90°角以恒定速度（dù）接近靶(圖9)。讓尖.端弧到靶，而（ér）不是實際接觸（chù）靶（bǎ）。這樣可以最大限度地提高（gāo）可重複性，但預計波形和峰值電壓（yā）會出現大量的變化。實例演示中的（de）濕度是45%，一（yī）般會令峰值（zhí）電（diàn）壓測量較正常電壓下降。在大氣（qì）放（fàng）電測試（shì）過程（chéng）中，可（kě）能要記錄濕度，因為它對ESD測試結果有著明顯影響。這個變量是要求進行觸（chù）點（diǎn）放電測試的原（yuán）因之一，因為它本身（shēn）在上（shàng）升時間和脈衝形狀中要更一致（zhì）。圖10顯示了8 kV大氣放（fàng）電捕獲。

圖10. 使用ESD靶捕獲典型的+8 kV觸（chù）點放電。峰值電壓為25 V (2.5 V ×10，因為20 dB衰減器)。這表示流經2.1 Ω靶的峰值ESD電流（liú）為11.9 A。