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TN003_CN 基于IEC61000-4-2和ISO10605标准的静电放电(ESD)模拟发生器的校准

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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。
表1 ESD模拟器放电端/高压电源电压校验范围

  IEC61000-4-2(2008) ISO10605(2008)
电压校准 达 ± 15 kV 达 ± 25 kV
误差范围 < ± 5% < ± 5%

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。ESDEMC公司的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。ESDEMC公司的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下表2所示。
表2 接触模式下放电电流波形参数标准要求

标准 IEC61000-4-2(2008) ISO10605(2008)

 
RC网络数值 150 pF  330 Ohm

 

 150 pF  330 Ohm

330 pF  2000 Ohm

150 pF  330 Ohm

330 pF  2000 Ohm

 
电压范围 接触放电（CD） 2 kV – 8 kV

空气放电（AD） 2 kV – 15 kV

 

 接触放电（CD）2kV – 15 kV

空气放电（AD） 2kV – 25 kV
第一个峰值

Tr

 

 0.6  – 1.0 ns 0.7  – 1.0 ns
第一个峰值误差率

Ip

 3.75 A/kV

< ± 15 %

 3.75 A/kV

< ± 10 % for 330 Ohm Res

0 ~+ 30 % for 2000 Ohm Res

 
40% RC处的电流值

I1

 2 A/kV

< ± 30 %

 2 A/kV, < ± 30 %

for 330 Ohm Res

 

0.275 A/kV, < ± 30 %

for 2000 Ohm Res

 
20% RC处的电流值

I2

 1 A/kV

< ± 30 %

 1 A/kV , < ± 30 %

for 330 Ohm Res

 

0.15 A/kV , < ± 50 %

for 2000 Ohm Res

 
所需设备 4 GHz带宽的ESD电流靶 –衰减器 –连接电缆

< ± 0.5 dB   DC – 1 GHz

< ± 1.2 dB   DC – 4 GHz

 

> 1.2 x 1.2  平米的参考地平面

 

示波器 > 2 GHz实时带宽

 

 1 GHz带宽的ESD 电流靶 – 衰减器 – 连接电缆

< ± 0.5 dB   DC – 1 GHz

 

 

> 1.2 x 1.2平米的参考地平面

 

示波器  > 1 GHz 实时带宽

 
误差率 每个电压等级下，ESD电流波形需要重复测量5次。所有的波形都需要满足标准的规定。 每个电压等级下，ESD电流波形需要重复测量10次，10次的波形取Tr, Ip, I1, I2各参数的平均值。计算出的平均值需要满足标准的规定。

ESDEMC公司的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。

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

ESDEMC公司的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。这个校准平板可以使法拉第笼的一个面。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。

TN003_P01

图 1 ESD模拟发生器校准装置

衰减器直接连接ESD电流靶的输入端。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。

图2 ESD模拟发生器测量典型装置连接图
图2 ESD模拟发生器测量典型装置连接图

衰减计算

图3 ESD电流靶与20dB衰减器连接配置图
图3 ESD电流靶与20dB衰减器连接配置图

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：

ESD源电压
(kV)		 电流峰值
(Amp)(Amp)		 示波器显示的首个电压峰值
(Volt)
ESD电流靶与示波器之间的的衰减倍数
20 dB 26 dB 30 dB 40 dB
4 15 3.0 V 1.5 V
8 30 6.0 V 3.0 V
15 56.25 11.25 V 5.62 V 3.56 V 1.13 V
25 93.75 18.75 V 9.38 V 5.93 V 1.88 V
30 112.50 22.5 V 11.25 V 7.12 V 2.25 V

表3 ESD源电压与推荐衰减倍数

 

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。

 

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

8kV IEC测量结果

 

图5 IEC61000-4-2标准ESD发生器放电电流波形
图5 IEC61000-4-2标准ESD发生器放电电流波形

 

测试级别 注入电压 峰值电流 (±15%)

Trise = 0.8 ± 0.2 ns

 30 ns时电流值

(±30%)

 60 ns时电流值

(±30%)
1级 ±2kV 7.5 A 4 A 2 A
2级 ±4kV 15 A 8 A 4 A
3级 ±6kV 22.5A 12 A 6 A
4级 ±8kV 30 A 16 A 8 A

表4 IEC 61000-4-2接触放电电流波形参数

 

 

电压 上升时间 (ns) 峰值电流 [A] 30 ns时电流值 [A] 60 ns时电流值 [A] 结论
IEC (±20%) Cal Result IEC (±15%) Cal Result IEC (±30%) Cal Result IEC (±30%) Cal Result  
2 kV  

 

0.8

(0.6~1.0)

 0.905 7.5 (6.375~8.625) 7.6 4 (2.8~5.2) 3.45 2 (1.4~2.6) 1.75 符合标准
4 kV 0.909 15 (12.75~17.25) 15.15 8 (5.6~10.4) 7.6 4 (2.8~5.2) 3.3 符合标准
6 kV 0.914 22.5 (19.125~25.875) 22.3 12 (8.4~15.6) 11.3 6 (4.2~7.8) 5 符合标准
8 kV 0.925 30 (25.5~34.5) 30.6 16 (11.8~20.8) 15.5 8 (5.6~10.4) 6.5 符合标准

 

 

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
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。

图7 同一示波器不同采样率设置下的测量波形
图7 同一示波器不同采样率设置下的测量波形

 

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？

表5 其他参数的影响

参数 影响
屏蔽 1.2 m x 1.2 m 的参考平板可以用于屏蔽ESD模拟发生器和示波器时间的直接耦合。这是标准中所规定的。不同的示波器所观测到的结果可能有很大不同。一些示波器会观测到很严重的噪声耦合（不接ESD电流靶），而一些示波器观测到的噪声耦合很小。
接地电缆位置

 

 地线的长度和形状影响着地环路的感抗，因此对第二个RC峰值有影响。正确放置的接地电缆对测量结果的影响很小
ESD模拟发生器的方向

 

 通常来讲对测试波形有一定影响，但影响很小
空气放电

 

 接近速度和环境参数对结果的可重复性影响很大