便携式产品ESD的测量技术

便携式产品ESD的测量技术

电子系统的静电放电(ESD)鲁棒性性能测试通常采用IEC 61000-4-2作为标准。这个标准定义了每个电压等级下的冲击电流波形、如何校准ESD脉冲源、用于测量的测试环境、测试通过与失败的判据，此外还提供了如何进行测试的指南。

但在对电子系统进行ESD测试时，人们并不知道被测单元实际能承受多大应力冲击。对在受冲击情况下没有接地的便携式产品来说，这点尤其正确。诚然，在便携式电池供电产品的ESD测试中，测量实际冲击电流是有可能的，甚至还可能通过简单地计算，展示如何从测量中获得额外的信息。

对于小型产品来说，工程师经常在专门的测试环境中执行系统级ESD测试(图1)。对IEC 61000-4-2测试而言，这些测试环境包括：地板上的金属接地板、木桌、放在桌子上的金属水平耦合板(到接地板有个0.95米长的连线，在水平耦合板之上的一个0.5mm绝缘层)。

图1

这样的测试环境必然能实现可重复的结果。首先，将被测设备(EUT)放在绝缘表面上，然后从不同的方向对EUT施加冲击。例如，给导电表面施加接触放电，这些表面包括所有金属外壳和连接器的接地金属壳。也可以向四周绝缘表面进行空气放电，并将重点放在可能的ESD路径上，比如设备外壳中的缝隙以及所有通风孔及键盘。

间接放电测试也是工作的一部分，特别是在水平和垂直耦合板上进行间接放电，以模拟由相邻物体中的ESD事件引起的电磁干扰(EMI)效应。对设计师工程师来说，使事情变得更加困难和复杂的是施加到EUT上的实际冲击大小在这些测量中并不总是很明显。

这里用一个便携式电池供电的个人数字助理(PDA)作为例子。首先，向USB端口的金属接地外壳施加接触放电模式的冲击，然后用具有1GHz上限带宽的变压器类型电流探头(最好是Fischer Custom Communications公司的F-65A)测量电流，并连接到标准的1GHz带宽示波器。请注意，探头内径需要足够大，以便适配IEC 61000-4-2兼容ESD qiang的约12mm直径头子。

图2

为简化对这个特殊例子的描述，测量参考基准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测试装置(图2)。ESD qiang的接地线连接到接地板的一个角。所有测量都在8kV电压下进行。第一次测量直接到接地板中心。这些测量结果采用扩展时间刻度。

图3

在第二次测量过程中，测试工程师将PDA面朝下放在接地板上，以方便接触微型USB连接器的金属屏蔽壳。进入PDA的电流远小于直接注入接地板的电流(图3)。为进一步减小电流，在PDA和接地板之间插入0.9cm的绝缘层。

图4

但是，我们见到的电流减小前后并不一致。当PDA直接放在接地板上时，初始电流尖峰降低了10%。当PDA放在0.9cm绝缘层上时，初始电流尖峰减低33%(图 4)。在20ns点，直接放在接地板上的PDA受到的冲击要小69%，而位于绝缘层上的PDA受到的冲击要小93%。电流减少是在冲击状态下给PDA充电的结果。在每次冲击测试过程结束后，我们必须将PDA接地使它回到未充电状态才能进行下次测量。

图5

图5所示原理图可以用来很好地定量理解上述测量。150pF电容和330Ω电阻对IEC 61000-4-2兼容ESD qiang来说是标准电路元件。qiang与接地板之间的寄生电容提供了IEC 61000-4-2电流波形中包含的初始电流尖峰。这种寄生电容值只有几个pF，在定量讨论中我们可以忽略不计。

工程师将电流探头放在放电qiang的尖端周围，然后开始直接向接地板放电，如图中的短线所示。对图3中直接放电到接地板的电流在300ns时间内进行积分，可以得到1.21 μC的电量。这个电容几乎完全等于给150pF电容充电到8kV所预测的电容量。

向PDA的放电通过一个并行平板电容表示，其中一个极板是PDA的一部分，另一个极板是接地板。在脉冲初期，PDA电容提供较低的阻抗，注入进PDA的电流近似于到地的放电电流。继续施加脉冲，电荷在PDA到接地板电容中累积，因此PDA上的电位上升，直到PDA和接地板之间的电位和150pF电容上的电压相等。这时，不再有电流流动，即使ESD qiang的电容还没有完全放电。

对充电到PDA的电流进行积分，可以得到从ESD qiang转移到PDA的电荷数量。从ESD qiang转移到PDA的电荷量可以用来计算ESD qiang的150pF电容上剩下的电压，然后再算出PDA上的电压。理解这个电压以及PDA上测到的电荷之后，就可以计算出PDA和接地板之间的电容(见表1)。

测量结果表明，直接放在接地板上的PDA充电到6,253V，而位于0.9cm绝缘层上的PDA充电到7,381V。这些数据分别对应于两种情况下的41.9pF和12.6pF电容。利用1kHz电感、电容和电阻计,对直接放在接地板上的PDA进行电容测量，结果是34pF。鉴于测量技术的不同，这个结果相当合理。

测量表明，来自ESD qiang的电流在电子系统承受ESD冲击期间是可测量的。在本例中我们发现，像PDA或手机等便携式系统上的冲击能量要比源自ESD qiang的全部冲击能量要小得多。

一个简单电路模型和基于测量电流的计算可以生成许多有用的信息，如转移到被测系统的电荷、系统升高的电压以及系统接地电容的近似值。在初始电流尖峰中的峰值电流不会像余下电流波形一样降得那么多。

这个结果与模型也是一致的。在这个模型中，PDA的接地电容提供了初始电流尖峰的低阻抗到地路径。这种测量技术可以用在空隙放电的情况，只要到电流探头的意外放电不被解释为到被测设备的放电。