滿足EMC嚴苛測（cè）試要求，使（shǐ）用示波器檢驗ESD仿真器

在（zài）設計（jì）滿足（zú）電磁兼容能力(EMC)標準（zhǔn）的產品時，靜電放電(ESD)抗擾度測試至（zhì）關重要。大多數產品都會遵循主要國際標準（zhǔn），比（bǐ）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（zhè）些測試要求ESD仿真器，來生成準（zhǔn）確的可重複的測試脈衝。

這些標準（zhǔn）還規定了必須注入（rù）被測（cè）設備(EUT)中的電流（liú）脈衝的形狀和定（dìng）時。在運（yùn）行抗擾度測試前，必須檢驗ESD仿真器生成的（de）電（diàn）流脈衝擁有正確的形狀和上升時間。可以使用校準後的ESD靶和（hé）高帶寬示波器，檢驗仿真器的性能。泰（tài）克4/5/6係MSOs為這種檢驗測量提（tí）供了理想的選擇。

人（rén）體接（jiē）觸配電（diàn）箱（xiāng）或電纜時（shí）產生的ESD，可能會損壞電子係統（tǒng）中的電路。在人的手（shǒu）指靠近金屬物體時，普（pǔ）通的人體ESD事件會在物體中產生高電流放電。得到的電流脈衝可能會達到幾（jǐ）安，有非常高的前沿，上升（shēng）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。

文中使用6係MSO示波器，演示ESD調試技術。同等配備的4係和5係MSO的設置和測量實際上一模一樣，因（yīn）為它們的控製功能（néng）與6係MSO相同。本文描述的許多技術也可以用於擁有相應性能（特別是上升（shēng）時間）的任何專業級示波器。

人體可以建模成（chéng）一個簡單的串聯RC網絡(圖2)。在電荷形成時，電（diàn）容器會（huì）充電到選定數字的kV。在按下開關（guān）(仿真器觸發器)時，這個電荷會迅速放電到（dào）EUT中。多家製造商提供的仿真器都能複現非常接近這（zhè）個人體模型的電流波形。IEC 61000-4-2國際標準中規定（dìng）了這些仿真器必須生成的波形。

IEC 61000-4-2要求在（zài）測試EUT前檢驗ESD仿真器的尖.端（duān）電壓，另外要求檢驗得到的電流波形的多個特（tè）點，比如電流峰值、30 ns時的（de）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（biǎo）測（cè）量仿真器的尖.端電壓。但是（shì），大多數人發現，對簡單的預一致（zhì）性檢驗測（cè）試，可以使用高阻抗高壓電阻電壓分路器(100 MΩ串聯1 MΩ)和數字電壓表。電阻器一（yī）定要能夠耐受最高25 kV電壓。IEC和ANSI標準對測量可（kě）重複性的要求要比對上升時間的要求更嚴格。為捕獲ESD，必須把示波器設置成單次（cì）(“single-shot”)模式。如果示波器對重（chóng）複的（de）上（shàng）升時間測量返回了一串不同的答（dá）案，那麽就（jiù）不能依靠它準確地測（cè）量任何一種情況的（de）上升時間，即使多次測量的平均（jun1）數異常準確。單次可重複性（xìng）的一個主（zhǔ）要因子是低內部噪聲，因此在評估示波（bō）器進行（háng）ESD測試時要比較噪聲指標。這些實例中使用的6係MSO產生（shēng）的噪聲特別低，特別適合這些測試。

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

圖3. 兩種（zhǒng）樣（yàng）式的ESD靶：老式靶(左)和新式靶(右)。新式靶的帶寬較高(4 GHz)，未來版本的（de）IEC 61000-4-2可能會規（guī）定使用新式靶。

IEC和ANSI標（biāo）準目前規定並聯阻抗<2.1 Ω，但將來修訂版標準中會變。為（wéi）了幫助工程師更加準確地檢驗ESD仿真器性能，草議標準現在規定了帶（dài）寬更低、阻抗更低的校準（zhǔn）後的(新（xīn）式) ESD靶。新靶的阻抗約（yuē）為1 Ω。目前IEC和ANSI標（biāo）準規定使（shǐ）用1 GHz帶寬的靶。草議標準規定使用4 GHz帶寬（kuān）的靶。在設置測試時（shí），必須把靶安裝在1.2平方米地麵的中心（xīn）。ANSI C63.16靶指標包括4 GHz以（yǐ）下時（shí）反射係數<0.1 (相當於（yú）VSWR<1.22)，插損<0.3 dB。

為完成測試設置，需要電纜、衰減器和示波器。使用優質低損耗電（diàn）纜連接靶、衰減（jiǎn）器和示波器。電纜總（zǒng）長要保持在1米以內，這樣才能滿足IEC和ANSI標準。ANSI C63.16要求雙屏蔽電纜，防止信號泄漏影響測量。它還推薦RG-400/U電纜，而RG-214/U盡管是兩倍直徑，但損（sǔn）耗隻有一半，似乎（hū）效果更好。還可以使用任（rèn）何GHz帶寬的同軸電纜。

IEC 61000-4-2還規定把示波器（qì）放（fàng）在（zài）法拉第籠（lóng）中（zhōng），屏蔽示波器受到ESD引發的放射輻（fú）射。在標（biāo）準開發（fā）過程（chéng）中(20世紀90年代初)，許多工程師使（shǐ）用模擬熒光存儲示波器進行這些測量。標準之所以（yǐ）規定使用屏（píng）蔽層，是為了防止模擬示波（bō）器上顯示的波形失真。屏蔽層（céng）也最大限度地減少了放電放（fàng）射（shè）場（chǎng）引起的假觸發數量（liàng）。

目前（qián），大多數高速數字示波器，包括泰克4/5/6係（xì）MSOs，都擁有屏蔽精良的輸（shū）入電路，因此實踐中通（tōng）常不要求法拉第籠（lóng）。隻（zhī）需把ESD靶安裝在1.2平方米鋁片上，通常就能防止數字示波器中不想要的觸發。

圖（tú）4. ESD靶（bǎ）和示波器之間的衰減器（qì）保護儀器的輸入放大器。

測試設置方框圖如圖4所示（shì）。需要使用衰減器，保護示波器（qì）的輸入（rù）前置放大器，因為ESD靶可能會產生（shēng）>50 V的電壓。20 dB衰減器很方便，因為它表示10×衰減，把測得電壓乘（chéng）10，就可以得到經過並聯的實際電壓，然後計算出得到（dào）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地（dì）通（tōng）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。為了準確地測量信號，且沒有采樣誤差，示波器（qì）必須有充足的帶寬。對高斯響（xiǎng）應（yīng）示波（bō）器，采樣率（lǜ）可能要達到示波器帶寬的6倍，當然更典型的情況是帶寬的4倍。

在使用數字示（shì）波器時，還必須注意（yì）采樣率。數字示波器（qì）在可用帶寬上的響應比較平坦，在超過3 dB頻率時滾降率很陡（dǒu）。因此，采樣率要達到示波器帶（dài）寬的2.5倍，以避免假信號誤差。

示波器要想準確地顯示ESD脈衝（chōng）的上升時間，必須有充（chōng）足的帶寬和上升時間。確定示波器指（zhǐ）標是否足夠的規則，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則（zé）是：

• 帶寬= 0.35/(上升時間)，或上升時（shí）間= 0.35/帶寬。
• 示波器的上升時間必須小於輸入信號上升（shēng）時間的三分（fèn）之一，以便使上升時間測（cè）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（jiān）)
• 示波（bō）器的上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。

大多數數字示波器的頻（pín）響比較平坦，與模擬示波器相比，在-3 dB點以（yǐ）下的頻率上生（shēng）成的衰減較少。因此，數字示波（bō）器的測量精度要更高。其次，數（shù）字示波（bō）器的滾降率較陡，有助於降低假信號誤差。

一般（bān）來說，人體ESD脈衝的上升時間要小於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，因此要求8.6 GHz的示波器帶（dài）寬。

靶-衰減器-電纜鏈條會產生一定的信號幅度損耗。不同測試設置之間的損（sǔn）耗變化，DC ~ 1 GHz時必須（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（biàn）化會大大（dà）影（yǐng）響測量精度。

表1. 係統精度變化會引起的測量誤（wù）差百分比。

示波器的帶寬越高，它捕（bǔ）獲ESD脈衝上升沿（yán）的精度越（yuè）高。表2顯示了示波器的上（shàng）升時間直接影響ESD脈衝測得的上升時間。如果脈衝的上升時間為700 ps，那麽示波器（qì）的帶寬至少要達到4 GHz，才能實現<1%的誤差。在測量上升時間時（shí），必須把這個誤差加到任何係統（tǒng）誤差中。

表2. 真實的上升（shēng）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，把示波器設置成（chéng）單次模式（shì），使用正邊沿觸發。把觸發電（diàn）平設置成剛好高於0。可能要稍微調節觸（chù）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 (視選擇的仿真器（qì）電壓而定（dìng）)，把時基設置（zhì）成（chéng）20 ns/div。假設測得的信（xìn）號是三角形波(為計算（suàn）簡單起見)，那麽測得的上升時間為800 ps時，要（yào）求的采樣率是10 G樣點（diǎn）/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（biǎo）示樣點。

檢驗觸點放電

大多數ESD標準對大多（duō）數產品規定（dìng）觸點放電測（cè）試電平為±4 kV，但會（huì）因應用或使用環境而變化。在圖5中（zhōng），我們演示了捕獲+4 kV觸（chù）電放電脈衝。仿真器地線應連接到地麵。在進行觸電放電測試時，先把尖.端直接（jiē）放到靶上，然後再觸發仿真器。

在（zài）實際（jì）檢驗測試過程中，仿真器地線應盡量遠離示波器同軸電纜，防止電纜到電纜耦（ǒu）合。標準推薦抓住中間的地線，從地麵上拉開。觸點放電（diàn）尖.端要一直位於靶的中心(圖6)。

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

圖6. 在觸發脈衝前，觸點放電尖.端應盡可能位於靶的中心。

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

圖7. 使用ESD靶捕獲典型的+4 kV觸點放電。峰（fēng）值（zhí）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（de）峰值ESD電流為7.6 A。

檢驗大氣放電

大多數ESD標準對大多數產品規定的（de）大氣放電測試電平（píng）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（diǎn）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大氣放電的檢驗原理。實際檢驗要求1.2平方米的鋁（lǚ）片地麵。由於演示地麵（miàn）的麵積減少，我們可（kě）以觀察到同軸電纜（lǎn）反射，在捕獲的波形中導致了紋波。鐵氧體扼流圈（quān）有助於減少這些反射。

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

接近時注意事項 – 大氣放電檢驗變（biàn）化相當大，取決於接近速度、接近（jìn）角和濕度。在使用大氣放電執行測試時，盡量使用ESD仿真器（qì）從90°角以恒定速度接近靶(圖9)。讓尖.端弧到靶，而不是實際接觸靶（bǎ）。這樣可以最大限度地提高可重複性，但預計波形和峰值電壓會（huì）出現（xiàn）大量（liàng）的變化。實例演示中的濕度是45%，一般會令峰值電壓測量較正常電壓下降（jiàng）。在大氣放電測試過程中（zhōng），可能要（yào）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點放電測試的原因之一，因為它本身在上升時間和脈衝形狀中要更一致。圖10顯示了8 kV大氣放電捕獲（huò）。

圖10. 使用ESD靶捕獲典型的+8 kV觸點（diǎn）放（fàng）電。峰值電壓為25 V (2.5 V ×10，因為20 dB衰減器)。這（zhè）表示流經2.1 Ω靶的峰值ESD電流為11.9 A。