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基于 IEC61000-4-2 和 ISO10605TN003 标准的静电放电(ESD)模拟发生器的校准
来源: | 作者:prof566a1 | 发布时间: 2018-07-24 | 4394 次浏览 | 分享到:
基于 IEC61000-4-2 和 ISO10605TN003 标准的静电放电(ESD)模拟发生器的校准

     基于 IEC61000-4-2 和 ISO10605TN003 标准的静电放电(ESD)模拟发生器的校准

1.      目的及意义

本文旨在提供 ESD 模拟发生器的校准参数和性能校验方法，并将校验结果与 IEC 61000-4-2 和 ISO10605 标准的规定值进行对比。

2.       校准要求与设备

2.1 ESD 模拟发生器电压校验

IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)都指出，静电放电发生器的端电压，或者静电放电模拟器的高压源都需要使用高压表或者静电电压表进行校验。


当使用接触式高压表 (>100 G Ohm的输入阻抗)进行校准时, 需要让高压源对放电端进行持续的充电，以保持电压电位，否则高压表会使放电端放电，导致电压读数慢慢减小。ES105-100高阻抗高压表能够满足高压校准的要求 (>100 G Ohm 的输入阻抗，能够测试高达100 kV的电压，并且误差小于 2%)。

由于ESD模拟发生器的放电端尖锐且放电点小，放电端和非接触式静电计之间的容性耦合很弱，因此低于± 5%的误差范围很难实现。并且，大多数高精度非接触式静电电压表不能够测量高达±25 kV的静电电压。这就需要放电端和非接触式静电计探头之间有较强的耦合。

          ES102振动电容静电计符合高压校准（具有高达1kV自校准能力的非接触式测量）的要求。该静电计具有已校准的外部高压源和较强的容性耦合，能够测量200V至200kV的静电电压，并且误差率小于2%。

2.2 接触式放电模式的放电电流校验

IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)都规定了ESD接触模式放电电流的波形。波形需要满足的具体要求如表2所示。

ES613 ESD模拟发生器能够满足IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)标准的要求。ES613-20 放电电压达 ±20kV， ES613-30 放电电压达 ±30 kV。

A4001 ESD 电流靶 能够满足IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)标准的要求 (达± 30 kV)。

A4002 ESD 电流靶适配器 能够满足IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)标准，能够校准ESD电流靶和适配器的频率响应。

3.    测试装置:

ESD 电流靶需要安装在一个 60” x 60” (1.2 m x 1.2 m) 或者更大的垂直校准平板的中心位置。这个校准平板可以是法拉第笼的一个面。用 8 个螺丝和配套防松垫圈将电流靶固定在一个直径为 40mm 的孔洞上，孔洞位于校准平板的中心。示波器，衰减器，电缆位于屏蔽笼中，或者与 ESD 模拟发生器分置在校准平板的两侧。下图 1 为可采用的测试装置说明。


图 1 ESD模拟发生器校准装置

衰减器直接连接 ESD 电流靶的输出端。如果电流靶的输出电压超过了示波器的输入电压范围，则还需要使用额外的衰减器。选择合适的衰减器，请参照下文中的衰减计算部分。将 ESD 地回路电缆与电流靶的参考校准平面相连。图 2 为简化的连接框图。

 

在上面的框图中，20dB 的衰减器与阻抗设置为 50 Ohm 的示波器连接，用于测量 ESD 放电电流。因为接有 20dB 的衰减器，因此示波器的输入端电压 V2 为电流靶注入电压 V1 的 1/10，或者说

 

V2= V1/10.

 

由于衰减器的终端阻抗为 50 Ohm，所以端口 1 的输入阻抗为 2.08//50 Ohm = 2.00 Ohm,意

 

味着

 

V1 = IESD ×2.00 Ohm

 

其中，IESD 是放电发生时，端口 1 的输入电流。2.08 Ohm 的阻值是 ESDEMC 公司制造校准

 

的  A4001 电流靶的标称值。其他生产商的电流靶阻值可能不同。ESD 放电电流和示波器所测的电压之间的比率为

 

IESD / V2 = 5:1

 

这个比率对于确定衰减器衰减倍数，以确保示波器的测量安全是非常有用的。因为不同放电电压下的电流值是已知的。例如，当测试 8kV 静电放电电流时，IESD 的峰值应该为 30A，对应的示波器所测的电压峰值为 6V。在任何新的测试之前，都应该增加衰减倍数以确保设备的安全，直到对测试装置有足够的信心再调整为合适的衰减器。

下表 3 提供了 ESD 源电压与推荐的电流靶衰减倍数的参考值。这是基于测量中所使用的示波器为 50 Ohm 5V 的实时示波器（测量范围为 8V, 每格 1V）。表中的绿色区域为安全工作范围，其中的数值为示波器所显示的电压峰值。黄色区域为需要避免的情况，因为测试标准中允许有±15%的峰值电流误差，因此衰减倍数可能不够。GHz 级的高速示波器的最大电压读数为 8V 或者 10V：
表 3 ESD 源电压与推荐衰减倍数


图 4 IEC61000-4-2 标准规定的 ESD 模拟发生器的理想电流波形标准波形 (IEC 标准)

+4kV 放电电压下 IEC 61000-4-2 标准规定的电流峰值如下图 4 所示。


8kV IEC 测量结果

图 5 IEC61000-4-2 标准 ESD 发生器放电电流波形

4.    常见问题

4.1        示波器的带宽/采样率对校准有什么影响？

一些 ESD 事件的上升时间<100 ps，有些实际的 ESD 波形可能上升沿的时间更短。示波器的带宽需要能够分辨大概 0.35/rt ，或者说，100 ps 的上升沿对应 3.5GHz 的带宽。没有足够的带宽或采样率，上升沿的数据采集是不准确的。下图呈现了没有足够采样率和有足够采样率的示波器所采集到的波形对比。
        


图 6 示波器采样率对上升时间的影响比较

此外，示波器的带宽和采样率还影响测量到的第一个峰值大小，因为第一个峰值具有较高的频率分量。即使是同一示波器，当设置的采样率不同时，测得的结果也不同。这可能导

致  ESD 模拟发生器在较低采样率的测试时能够通过标准，但实际上当采样率较高时不能符合标准要求。举例如下图所示。
   

4.2        当购买 ESD 电流靶时，是否可以只买电流靶，使用已有的电缆和衰减器做校准？

标准规定，在进行 ESD 模拟发生器的校准之前，示波器和 ESD 电流靶 - 衰减器 - 电缆都需进行校准。如果电流靶的校准没有配备相应的衰减器和电缆，当使用新的衰减器和电缆时，电流靶需要进行再校准。或者使用人员可以表征其已有的电缆和衰减器，然后从数值上进行补偿计算。

标准规定，校准所用的电缆应该为屏蔽良好，损耗低的电缆。标准推荐采用不超过 1 m 长的 RG400 电缆。RG214 电缆的损耗为 RG400 的 1/2，通常情况是可用的，但可能不匹配 SMA 接头。大多数高速示波器采用了 SMA 或者改良的 BNC 接头。

标准规定，衰减器需要有 4GHz 内平坦的频率响应，以保证电流靶 – 衰减器 – 电缆的传输阻抗平坦。同时，衰减器需要能够承受相对较大的峰值功率。

4.3        其他参数对测试波形有什么影响？