便攜式產(chǎn)品ESD的測量技術(shù)

電子系統(tǒng)的靜電放電(ESD)魯棒性性能測試通常采用IEC 61000-4-2作為標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)定義了每個電壓等級下的沖擊電流波形、如何校準(zhǔn)ESD脈沖源、用于測量的測試環(huán)境、測試通過與失敗的判據(jù)，此外還提供了如何進(jìn)行測試的指南。

但在對電子系統(tǒng)進(jìn)行ESD測試時，人們并不知道被測單元實際能承受多大應(yīng)力沖擊。對在受沖擊情況下沒有接地的便攜式產(chǎn)品來說，這點尤其正確。誠然，在便攜式電池供電產(chǎn)品的ESD測試中，測量實際沖擊電流是有可能的，甚至還可能通過簡單地計算，展示如何從測量中獲得額外的信息。

對于小型產(chǎn)品來說，工程師經(jīng)常在專門的測試環(huán)境中執(zhí)行系統(tǒng)級ESD測試(圖1)。對IEC 61000-4-2測試而言，這些測試環(huán)境包括：地板上的金屬接地板、木桌、放在桌子上的金屬水平耦合板(到接地板有個0.95米長的連線，在水平耦合板之上的一個0.5mm絕緣層)。

圖1

這樣的測試環(huán)境必然能實現(xiàn)可重復(fù)的結(jié)果。首先，將被測設(shè)備(EUT)放在絕緣表面上，然后從不同的方向?qū)UT施加沖擊。例如，給導(dǎo)電表面施加接觸放電，這些表面包括所有金屬外殼和連接器的接地金屬殼。也可以向四周絕緣表面進(jìn)行空氣放電，并將重點放在可能的ESD路徑上，比如設(shè)備外殼中的縫隙以及所有通風(fēng)孔及鍵盤。

間接放電測試也是工作的一部分，特別是在水平和垂直耦合板上進(jìn)行間接放電，以模擬由相鄰物體中的ESD事件引起的電磁干擾(EMI)效應(yīng)。對設(shè)計師工程師來說，使事情變得更加困難和復(fù)雜的是施加到EUT上的實際沖擊大小在這些測量中并不總是很明顯。

這里用一個便攜式電池供電的個人數(shù)字助理(PDA)作為例子。首先，向USB端口的金屬接地外殼施加接觸放電模式的沖擊，然后用具有1GHz上限帶寬的變壓器類型電流探頭(最好是Fischer Custom Communications公司的F-65A)測量電流，并連接到標(biāo)準(zhǔn)的1GHz帶寬示波器。請注意，探頭內(nèi)徑需要足夠大，以便適配IEC 61000-4-2兼容ESD qiang的約12mm直徑頭子。

圖2

為簡化對這個特殊例子的描述，測量參考基準(zhǔn)是直接位于桌面上的0.6平方米接地板，不再使用完整的IEC測試裝置(圖2)。ESD qiang的接地線連接到接地板的一個角。所有測量都在8kV電壓下進(jìn)行。第一次測量直接到接地板中心。這些測量結(jié)果采用擴(kuò)展時間刻度。

圖3

在第二次測量過程中，測試工程師將PDA面朝下放在接地板上，以方便接觸微型USB連接器的金屬屏蔽殼。進(jìn)入PDA的電流遠(yuǎn)小于直接注入接地板的電流(圖3)。為進(jìn)一步減小電流，在PDA和接地板之間插入0.9cm的絕緣層。

圖4

但是，我們見到的電流減小前后并不一致。當(dāng)PDA直接放在接地板上時，初始電流尖峰降低了10%。當(dāng)PDA放在0.9cm絕緣層上時，初始電流尖峰減低33%(圖 4)。在20ns點，直接放在接地板上的PDA受到的沖擊要小69%，而位于絕緣層上的PDA受到的沖擊要小93%。電流減少是在沖擊狀態(tài)下給PDA充電的結(jié)果。在每次沖擊測試過程結(jié)束后，我們必須將PDA接地使它回到未充電狀態(tài)才能進(jìn)行下次測量。

圖5

圖5所示原理圖可以用來很好地定量理解上述測量。150pF電容和330Ω電阻對IEC 61000-4-2兼容ESD qiang來說是標(biāo)準(zhǔn)電路元件。qiang與接地板之間的寄生電容提供了IEC 61000-4-2電流波形中包含的初始電流尖峰。這種寄生電容值只有幾個pF，在定量討論中我們可以忽略不計。

工程師將電流探頭放在放電qiang的尖端周圍，然后開始直接向接地板放電，如圖中的短線所示。對圖3中直接放電到接地板的電流在300ns時間內(nèi)進(jìn)行積分，可以得到1.21 μC的電量。這個電容幾乎完全等于給150pF電容充電到8kV所預(yù)測的電容量。

向PDA的放電通過一個并行平板電容表示，其中一個極板是PDA的一部分，另一個極板是接地板。在脈沖初期，PDA電容提供較低的阻抗，注入進(jìn)PDA的電流近似于到地的放電電流。繼續(xù)施加脈沖，電荷在PDA到接地板電容中累積，因此PDA上的電位上升，直到PDA和接地板之間的電位和150pF電容上的電壓相等。這時，不再有電流流動，即使ESD qiang的電容還沒有完全放電。

對充電到PDA的電流進(jìn)行積分，可以得到從ESD qiang轉(zhuǎn)移到PDA的電荷數(shù)量。從ESD qiang轉(zhuǎn)移到PDA的電荷量可以用來計算ESD qiang的150pF電容上剩下的電壓，然后再算出PDA上的電壓。理解這個電壓以及PDA上測到的電荷之后，就可以計算出PDA和接地板之間的電容(見表1)。

測量結(jié)果表明，直接放在接地板上的PDA充電到6,253V，而位于0.9cm絕緣層上的PDA充電到7,381V。這些數(shù)據(jù)分別對應(yīng)于兩種情況下的41.9pF和12.6pF電容。利用1kHz電感、電容和電阻計,對直接放在接地板上的PDA進(jìn)行電容測量，結(jié)果是34pF。鑒于測量技術(shù)的不同，這個結(jié)果相當(dāng)合理。

測量表明，來自ESD qiang的電流在電子系統(tǒng)承受ESD沖擊期間是可測量的。在本例中我們發(fā)現(xiàn)，像PDA或手機(jī)等便攜式系統(tǒng)上的沖擊能量要比源自ESD qiang的全部沖擊能量要小得多。

一個簡單電路模型和基于測量電流的計算可以生成許多有用的信息，如轉(zhuǎn)移到被測系統(tǒng)的電荷、系統(tǒng)升高的電壓以及系統(tǒng)接地電容的近似值。在初始電流尖峰中的峰值電流不會像余下電流波形一樣降得那么多。

這個結(jié)果與模型也是一致的。在這個模型中，PDA的接地電容提供了初始電流尖峰的低阻抗到地路徑。這種測量技術(shù)可以用在空隙放電的情況，只要到電流探頭的意外放電不被解釋為到被測設(shè)備的放電。