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。大多數（shù）產品都會遵循主要國際標準（zhǔn），比如IEC 61000-4-2和美國ANSI C63.16，都規定了（le）怎樣（yàng）設置（zhì）和執行這些ESD測試。這些測試要求ESD仿真器，來生（shēng）成準確的可重複的測試脈衝（chōng）。

這些標準還規（guī）定了必須注入被測設備(EUT)中的電流脈衝的形狀和定（dìng）時。在運行抗擾度測試前，必須檢驗ESD仿真器生成的電流脈（mò）衝擁（yōng）有正確（què）的形狀和上升時間。可以（yǐ）使用校準後的ESD靶和高帶（dài）寬示波器，檢驗仿真器的性能。泰克4/5/6係MSOs為這種檢驗（yàn）測量（liàng）提供了理想的選擇。

人體接觸配電箱或電纜時產（chǎn）生的ESD，可能會損壞電子係（xì）統（tǒng）中的電路（lù）。在人的手指靠近金（jīn）屬物體時，普通的人體ESD事件（jiàn）會在物體中產生高電流放電。得到（dào）的電流（liú）脈衝可能會達到幾安，有非常高的前沿，上升時（shí）間不到1 ns (圖1)。圖1顯示了理想化的ESD波形。

圖1. ESD事件產生的（de）電流上升時間不到1 ns。

文中（zhōng）使用6係MSO示波器，演（yǎn）示ESD調試技術。同（tóng）等配（pèi）備的（de）4係和5係MSO的設置和測量實際（jì）上一模一樣，因為它們（men）的（de）控製功能與6係MSO相同。本文描（miáo）述（shù）的許多技術也可以（yǐ）用於擁有相應性（xìng）能（特別是上升時間）的任何專業級示波器。

人體可以建（jiàn）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（chù）發器)時，這個電荷會迅速放電到EUT中。多家製造商提供的仿真器都能複現非常接近這個人體（tǐ）模型的電流波形。IEC 61000-4-2國際標準中規定了這些仿真（zhēn）器必須生成的波形。

IEC 61000-4-2要求在測試EUT前檢驗ESD仿（fǎng）真器的尖（jiān）.端電壓，另外（wài）要求檢驗得到的電流波形的多個特點，比如電流峰值、30 ns時（shí）的電流讀（dú）數和60 ns時的電（diàn）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（jí）歐表測量仿真器的尖.端電壓。但是（shì），大多數人發現，對簡單的預一致性檢驗測試，可（kě）以使用高阻抗高壓電阻（zǔ）電壓（yā）分路器(100 MΩ串聯1 MΩ)和數字電壓表。電阻器一定要能夠耐受最高25 kV電壓。IEC和ANSI標（biāo）準對測量可（kě）重複（fù）性的要求要比對上升（shēng）時間的（de）要求更嚴格。為捕獲（huò）ESD，必須把示波器設置成單次(“single-shot”)模式。如果示波器對重複的（de）上升時間測量返回了一串（chuàn）不同的答（dá）案，那麽就不能依靠它準確地測量任何一種情（qíng）況的上（shàng）升時間，即使多次測量的平均（jun1）數異常準確。單次可重複性的一個主（zhǔ）要（yào）因子是低內部噪聲（shēng），因此在評估示波器（qì）進行ESD測試時（shí）要（yào）比較噪聲指標。這些實例中使用的6係MSO產生的噪聲特別低，特別適合這些測試。

使用並（bìng）聯（lián） – 為（wéi）校（xiào）驗ESD仿真器的輸出，必須測量產生的電流流經連接接地的低阻抗高頻電阻並聯（lián）時（shí）的波形。這個並聯或ESD靶仿真進入大的金屬物（wù）體中的放電，比如設備箱(圖3)。

圖3. 兩（liǎng）種樣式的ESD靶（bǎ）：老式靶(左)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可能會規定使用（yòng）新式靶。

IEC和ANSI標準目前（qián）規定並（bìng）聯阻抗<2.1 Ω，但將來修訂版標（biāo）準中會變。為了幫助工程師更加準確（què）地檢驗ESD仿真器性能，草議標準現在（zài）規定了帶寬更低、阻抗更低的校（xiào）準後的(新（xīn）式) ESD靶。新靶（bǎ）的阻抗約為1 Ω。目（mù）前IEC和ANSI標準規定使用1 GHz帶寬的靶。草（cǎo）議標（biāo）準規定使用（yòng）4 GHz帶寬的靶。在設置測試（shì）時，必須把靶安裝（zhuāng）在1.2平方米地（dì）麵的中心。ANSI C63.16靶指標包括4 GHz以下時反射係數<0.1 (相當於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（shǐ）用優（yōu）質低損耗電纜連接靶、衰（shuāi）減器和示波器。電纜總（zǒng）長要保持在1米以內（nèi），這（zhè）樣才（cái）能（néng）滿足IEC和ANSI標準。ANSI C63.16要求（qiú）雙屏蔽電（diàn）纜，防止信號泄漏影響（xiǎng）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，似乎效果更（gèng）好。還可以使用任何GHz帶寬的同軸電纜。

IEC 61000-4-2還規定把（bǎ）示波器放在法拉（lā）第籠中，屏蔽示波器受到ESD引發的放射輻射（shè）。在標（biāo）準開發過程（chéng）中(20世紀90年代初)，許多（duō）工程師使用模擬熒光存儲示波器進行這些（xiē）測量（liàng）。標準之所以（yǐ）規定使用屏蔽層，是為了防止模擬示（shì）波器上顯示的波形失真。屏蔽層也最（zuì）大限（xiàn）度（dù）地減少了放電放射場（chǎng）引起的假觸發（fā）數量。

目前，大多數高速數字示（shì）波器，包括泰克4/5/6係MSOs，都擁有（yǒu）屏（píng）蔽精良的輸入電路，因此實踐中通（tōng）常不要求法拉（lā）第籠。隻需把ESD靶安裝在1.2平方米鋁片上，通常就能防止數（shù）字示波器中不想要的觸（chù）發。

圖4. ESD靶和示波器之間的衰減器保護儀器的（de）輸入放大器。

測（cè）試設置方框（kuàng）圖如圖4所示。需要使用衰減器，保護示波器的輸入前置放大器（qì），因為ESD靶可能會產生>50 V的電壓。20 dB衰減器（qì）很方便，因為它表示10×衰（shuāi）減，把測得電壓乘10，就可以得（dé）到經過並聯（lián）的實際電壓，然後計算出得到（dào）的電流。衰（shuāi）減器（qì）必須能夠處理最高50 V尖峰，衰減器（qì）的帶寬必須準確地（dì）通過（guò）最高4 GHz頻率。

選擇示波器 – 在選擇示波器時，要（yào）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（hào），且沒有采樣（yàng）誤差（chà），示波器必須有充足的帶寬。對高（gāo）斯響應示波（bō）器，采（cǎi）樣率可能要達到示波器（qì）帶寬的6倍，當然更典型的情況（kuàng）是（shì）帶寬的4倍。

在使用數字示波器時，還必（bì）須注意采樣率。數字示波器在可用帶寬上的響應比較平坦，在（zài）超過3 dB頻（pín）率時滾降率很（hěn）陡。因此，采樣率要達到示波器（qì）帶寬的2.5倍（bèi），以避免假信號誤差。

示波器（qì）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（què）定示（shì）波器指標是否（fǒu）足夠的（de）規（guī）則，會因模擬示（shì）波器和數字示（shì）波器而不同（tóng）。

對（duì）模擬示波器，*的上升時間和帶寬規則是（shì）：

• 帶寬= 0.35/(上升時間)，或上（shàng）升時間= 0.35/帶寬。
• 示波器的上升時間必須小（xiǎo）於輸入信號上升時間的（de）三分之一，以便使上（shàng）升時間測量誤差小於等於5%。
對數字示波器，計算方（fāng）法如下：
• 帶寬 ≈0.43/(上（shàng）升時間)
• 示波器的上升時間隻要達到信號上升（shēng）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（dà）多數數字示波器的頻響比（bǐ）較平坦，與模擬示波器相（xiàng）比，在-3 dB點以下（xià）的頻率上生成的衰減較（jiào）少。因此，數字（zì）示波器（qì）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（mò）衝的上升時間要小（xiǎo）於200 ps。為準確顯示這種（zhǒng）脈衝，要求（qiú）的帶（dài）寬約為（wéi）0.43/(200 ps)，或者（zhě）2.15 GHz。某些（xiē）ESD仿真器可能會生（shēng）成50 ps的上升時間，因此要求8.6 GHz的（de）示波器（qì）帶寬。

靶-衰減器（qì）-電（diàn）纜鏈條會產生一定的信號幅度損（sǔn）耗。不同測試設置之間的損耗變化，DC ~ 1 GHz時必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz時必須（xū）在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的係統精度變化會大大影響測量精度。

表1. 係統精度變化會引起的測量誤差百分比。

示波器的帶寬越高（gāo），它捕獲ESD脈衝上升沿（yán）的精度越高。表2顯示（shì）了示波器的上升時間（jiān）直接（jiē）影（yǐng）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，必須（xū）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器帶寬的關係。

為測量ESD脈衝，把示波（bō）器設置成單次模式（shì），使用正邊沿觸發。把觸發電平設置成剛好高於0。可能（néng）要稍微調節觸發電平，以捕（bǔ）獲整（zhěng）個波形。把垂直靈敏度設置成200 mV/div或（huò）400 mV/div (視選擇的（de）仿真（zhēn）器電壓（yā）而定)，把時基設置成20 ns/div。假設測得的信號（hào）是（shì）三角形波(為計算簡單起見)，那麽測得的上升時間為（wéi）800 ps時，要求的采樣率是10 G樣點/秒，等於100 ps/樣點，或者一個上升沿上8個樣點（diǎn），足以準確地表（biǎo）示樣（yàng）點。

檢驗觸點放電

大多數ESD標準（zhǔn）對大多數產品規定觸（chù）點放電測試電平為±4 kV，但會因應用或（huò）使（shǐ）用環境而（ér）變化。在圖5中，我們演示了捕獲+4 kV觸電放（fàng）電脈衝。仿真器地線應連接到地麵。在進行觸電放電（diàn）測試時，先把尖.端直接放到靶上，然後（hòu）再觸發仿真器。

在實際檢驗測試過程中（zhōng），仿真（zhēn）器地線應盡（jìn）量遠離示波器（qì）同（tóng）軸電纜，防止電（diàn）纜到電纜耦合。標準推薦抓（zhuā）住中間（jiān）的地（dì）線，從地麵上拉開。觸點放（fàng）電尖.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觸點放電的檢驗原理。實際檢驗要求1.2平方米的鋁片（piàn）地麵。由於演示（shì）地麵的麵積減少，我們可以觀察到同軸電纜反射，在捕獲的（de）波形中導致了紋（wén）波。鐵氧（yǎng）體扼流圈（quān）有助於減（jiǎn）少這些反射。

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

為（wéi）在（zài）4係、5係（xì）、6係MSO上（shàng）捕獲ESD脈衝，把垂直標度調到200或400 mV/格(視仿真器的電壓設置而（ér）定)，把水平時基調到20 ns/格，以（yǐ）在屏幕上捕獲大多（duō）數波（bō）形。把觸發模式設置成（chéng）手動(“Manual”)，把觸發電平設置成高於或低於零伏基線，具體看檢驗的是正向脈衝還（hái）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衰減器)。這表示流經2.1 Ω靶的峰（fēng）值ESD電流（liú）為7.6 A。

檢（jiǎn）驗大氣放（fàng）電

大多數ESD標準對大多數產品規定的大氣放（fàng）電測試電平為±8 kV，但會因應用或使用環境而（ér）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（yī）測試設置演（yǎn）示了ESD仿真器到靶+8 kV大氣放電的檢驗原理。實際檢驗要（yào）求1.2平（píng）方米的鋁片地麵。由於演示地麵的麵積減少，我們可（kě）以觀察到（dào）同軸電纜反射，在捕獲的波形中導致（zhì）了紋波。鐵氧體扼流圈有助（zhù）於減（jiǎn）少這些反射。

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

接近時注意事項 – 大氣放電檢驗變化相當大，取決於接近速度、接近角和濕度。在使用大氣放電執行測試時，盡量使用ESD仿真器從90°角以恒定（dìng）速度接近靶(圖9)。讓尖.端弧到靶，而不是實際接觸靶。這樣可以最（zuì）大限度地提高可重複性（xìng），但預計波形和峰值（zhí）電壓會出現大量的變化。實例演示中的（de）濕度是45%，一般會令峰值電壓測量較正常電壓下降。在（zài）大（dà）氣放電測試過程中，可能要記錄濕（shī）度，因為它對ESD測試結果有著明顯影響。這個變量是要求進（jìn）行觸點放電測試的原因之一，因（yīn）為它本身在上升時間和脈衝形（xíng）狀中要更一致。圖10顯示了8 kV大氣放電（diàn）捕獲。

圖10. 使用（yòng）ESD靶捕獲典型的+8 kV觸點放（fàng）電。峰值電（diàn）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（de）峰值ESD電流為11.9 A。