Niniejsza nota aplikacyjna:

• Ma na celu pomóc projektantom w weryfikacji kształtu impulsów prądowych z symulatorów ESD przed ich użyciem w końcowych lub wstępnych testach zgodności,
• Obejmuje podstawową wiedzę teoretyczną dotyczącą wyładowań ESD,
• Opisuje podstawowy system testowania symulatorów ESD z użyciem oscyloskopu,
• Wyjaśnia sposób weryfikacji impulsów do testowania wyładowań kontaktowych i wyładowań powietrznych.

W tej nocie aplikacyjnej do zilustrowania technik rozwiązywania problemów z wyładowaniami elektrostatycznymi użyto oscyloskopu MSO serii 6. Nastawy i pomiary będą praktycznie takie same dla porównywalnie wyposażonych oscyloskopów MSO z serii 4 i 5, ponieważ mają one takie same elementy sterujące co MSO z serii 6. Wiele technik opisanych w niniejszym dokumencie może być używanych z dowolnym profesjonalnym oscyloskopem o odpowiednich parametrach, zwłaszcza o małym czasie narastania.

Wprowadzenie

Testowanie odporności na wyładowania elektrostatyczne (ESD) ma kluczowe znaczenie podczas projektowania produktów, które mają być zgodne ze światowymi normami kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Główne standardy międzynarodowe, do których odwołuje się większość produktów, to IEC 61000-4-2 i amerykański ANSI C63.16. Określają one sposób konfiguracji i przeprowadzania testów ESD (patrz [1] i [2]). Do wytwarzania dokładnych i powtarzalnych impulsów testowych wymagany jest symulator ESD.

Normy określają również kształt i parametry czasowe impulsu prądowego, który należy wprowadzić do testowanego sprzętu (EUT). Przed uruchomieniem testu odporności należy sprawdzić, czy symulator ESD wytwarza impuls prądu o odpowiednim kształcie i czasie narastania. Można zweryfikować działanie symulatora, używając skalibrowanej tarczy ESD i oscyloskopu o dużej szerokości pasma. Do takiego pomiaru weryfikacyjnego idealne są oscyloskopy Tektronix z serii MSO 4/5/6.

Wyładowania elektrostatyczne generowane przez osobę dotykającą obudowy lub kabla mogą zakłócać działanie obwodów w systemach elektronicznych. Typowym przykładem takiego zjawiska jest zbliżanie palca do metalowego przedmiotu, podczas którego między ciałem ludzkim a obiektem występuje wyładowanie ESD o wysokim natężeniu prądu. Wynikowy impuls prądowy może osiągać kilka amperów z bardzo ostro narastającym zboczem o czasie narastania poniżej 1 ns.

Wyidealizowany przebieg wyładowania ESD pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Prąd wyładowania ma czas narastania poniżej 1 ns

Modelowanie ciała ludzkiego

Ciało ludzkie można modelować jako prostą szeregową sieć RC (rysunek 2). W miarę narastania ładunku elektrycznego, kondensator ładuje się do wybranego napięcia wyrażonego w kV. Gdy przełącznik (wyzwalacz symulatora) zmieni swoje położenie, ładunek ten szybko rozładowuje się do badanego urządzenia (EUT). Kilku producentów oferuje symulatory, które odtwarzają przebiegi prądu bardzo zbliżone do uzyskiwanych dla tego modelu ludzkiego ciała. Przebieg napięcia, który te symulatory muszą wygenerować, jest określony w międzynarodowej normie IEC 61000-4-2.

Norma IEC 61000-4-2 wymaga sprawdzenia napięcia na grocie roboczym symulatora ESD przed rozpoczęciem testu EUT. Wymaga ona również zweryfikowania kilku charakterystyk powstałego przebiegu prądu, takich jak wartość szczytowa prądu, wartość prądu przy 30 ns i wartość prądu przy 60 ns.

Rysunek 2. Sieć RC do symulacji wyładowania z palca

Napięcie grotu symulatora można zmierzyć za pomocą elektrometru lub uniwersalnego miernika rezystancji (patrz [3]). Na ogół jednak stwierdzono, że w przypadku prostych wstępnych testów weryfikujących zgodność można zastosować wysokonapięciowy rezystancyjny dzielnik napięcia (100 MΩ szeregowo z 1 MΩ) i woltomierz cyfrowy. Należy przy tym upewnić się, że rezystory wytrzymują napięcie do 25 kV.

Normy IEC i ANSI stawiają bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące powtarzalności pomiarów niż w przypadku wartości czasu narastania. Aby uchwycić wyładowanie ESD, należy ustawić oscyloskop w trybie „single-shot” (wyzwalanie pojedyncze). Jeśli oscyloskop pokazuje szereg różnych odpowiedzi dla powtarzanych pomiarów czasu narastania, to nie można na nim polegać, ani używać go do dokładnego pomiaru czasu narastania przy innych okazjach – nawet, jeśli średnia z wielu pomiarów jest bardzo dokładna. Głównym czynnikiem wpływającym na powtarzalność pomiaru przy pojedynczych wyzwoleniach jest niski poziom szumów wewnętrznych, zatem przy ocenie przydatności oscyloskopów do testów ESD należy porównywać specyfikacje szumu. Oscyloskop MSO z serii 6 zastosowany w pokazanych tutaj przykładach ma szczególnie niski poziom szumu i dobrze nadaje się do takich testów.

Tarcza ESD

Zastosowanie bocznika – aby sprawdzić wyjście symulatora ESD, należy zmierzyć przebieg prądu wynikowego w wysokoczęstotliwościowym boczniku rezystancyjnym o niskiej impedancji podłączonym do masy. Ten bocznik lub tarcza ESD emuluje wyładowanie do dużego metalowego obiektu, takiego jak np. obudowa sprzętu (rysunek 3).

Rysunek 3. Dwa rodzaje tarcz ESD: tarcza starsza (po lewej) i nowsza (po prawej). Nowsza tarcza ma szersze pasmo wynoszące 4 GHz i może zostać zdefiniowana w przyszłych wydaniach normy IEC 61000-4-2

Normy IEC i ANSI zalecają obecnie impedancję bocznika poniżej 2,1 Ω, lecz to się zmieni w przyszłych wersjach. Aby pomóc inżynierom dokładniej weryfikować działanie symulatora ESD, projekty norm specyfikują teraz skalibrowaną tarczę ESD o szerszym pasmie przenoszenia i mniejszej impedancji. Nowa tarcza ma impedancję około 1 Ω. Obecnie normy IEC i ANSI określają szerokość pasma tarczy wynoszącą 1 GHz. W projektach norm określa się szerokość tego pasma wynoszącą 4 GHz.

Przygotowując test, należy zamontować tarczę pośrodku płaszczyzny uziemiającej o powierzchni 1,2 m². Specyfikacja tarczy wg ANSI C63.16 obejmuje współczynnik odbicia mniejszy niż 0,1 (co odpowiada współczynnikowi VSWR mniejszemu niż 1,22) i tłumienie wtrąceniowe mniejsze niż 0,3 dB dla zakresu do 4 GHz. Takie tarcze są dostępne w handlu.

Pozostałe elementy układu pomiarowego

Do zakończenia przygotowań testu potrzebne są jeszcze kable, tłumiki i oscyloskop. Do połączeń między tarczą, tłumikami i oscyloskopem należy użyć niskostratnych kabli o dobrej jakości. Całkowita długość kabla nie powinna przekraczać 1 m, aby zachować zgodność ze standardami IEC i ANSI. Norma ANSI C63.16 wymaga użycia kabla podwójnie ekranowanego, który zapobiega oddziaływaniu upływu sygnału na pomiar. Zaleca ona również stosowanie kabla RG-400/U, lecz kabel RG-214/U – chociaż ma dwukrotnie większą średnicę, ma też o połowę mniejsze straty i wydaje się działać dobrze. Można również użyć dowolnego kabla koncentrycznego przeznaczonego dla pasma o częstotliwości gigahercowej.

Norma IEC 61000-4-2 określa również, że oscyloskop należy umieścić w klatce Faradaya, aby chronić go przed emisjami promieniowanymi wywołanymi przez wyładowanie ESD. W czasie gdy opracowywano normy (wczesne lata 90) wielu inżynierów wykonywało te pomiary za pomocą oscyloskopów analogowych z trwałą poświatą ekranu. W normie zdefiniowano ekran, który zapobiega zniekształceniom przebiegu wyświetlanego na oscyloskopie analogowym. Ekran minimalizuje także fałszywe wyzwolenia spowodowane polami emitowanymi przez wyładowanie.

Obecnie większość szybkich oscyloskopów cyfrowych, w tym oscyloskop Tektronix MSO z serii 4/5/6, ma dobrze ekranowane obwody wejściowe. Zatem w praktyce klatka Faradaya nie jest zwykle wymagana. Zazwyczaj zwykłe zamontowanie tarczy ESD na środku aluminiowej blachy o powierzchni 1,2 m² zapobiega niepożądanym wyzwoleniom w oscyloskopach cyfrowych.

Rysunek 4. Tłumiki między tarczą ESD a oscyloskopem chronią wzmacniacze wejściowe przyrządu

Schemat blokowy układu pomiarowego jest pokazany na rysunku 4. Do ochrony przedwzmacniaczy wejściowych oscyloskopu potrzebne są tłumiki, ponieważ tarcza ESD może wytwarzać napięcia większe niż 50 V. Tłumik 20 dB jest wygodny, ponieważ reprezentuje tłumienie 10× i można po prostu pomnożyć zmierzone napięcia przez 10, aby znaleźć rzeczywistą wartość napięcia na boczniku, a następnie obliczyć wynikowy prąd. Tłumik musi obsługiwać skoki napięcia do 50 V, a jego pasmo przenoszenia musi przepuszczać częstotliwości do 4 GHz.

Wybór oscyloskopu

Wybierając oscyloskop, należy uważnie przyjrzeć się takim jego parametrom takim, jak szerokość pasma, czas narastania i szum. Aby dokładnie zmierzyć sygnał bez błędów próbkowania, oscyloskop musi mieć wystarczającą szerokość pasma. W przypadku oscyloskopu z odpowiedzią Gaussa może być potrzebna częstotliwość próbkowania do sześciu razy większa niż szerokość pasma oscyloskopu, chociaż zazwyczaj jest ona czterokrotnie większa.

W przypadku oscyloskopu cyfrowego należy również zwrócić uwagę na częstotliwość próbkowania. Oscyloskop cyfrowy ma bardziej płaską odpowiedź w całej użytecznej szerokości pasma i ma ostry spadek charakterystyki powyżej swojej częstotliwości dającej spadek 3 dB. Dlatego potrzebna jest częstotliwość próbkowania 2,5-krotnie większa niż szerokość pasma oscyloskopu, aby uniknąć błędów utożsamiania (aliasów).

Aby oscyloskop mógł dokładnie wyświetlać narastanie impulsu ESD, musi mieć wystarczającą szerokość pasma i czas narastania. Zasady określania, czy specyfikacja przyrządu jest odpowiednia różnią się w przypadku modeli analogowych i cyfrowych – patrz [4].

W przypadku oscyloskopów analogowych ogólnie przyjętymi regułami dla czasu narastania i przepustowości były:

• Szerokość pasma = 0,35 / (czas narastania) lub czas narastania = 0,35 / szerokość pasma.
• Oscyloskop musi mieć czas narastania mniejszy niż jedna trzecia czasu narastania sygnału wejściowego, aby mierzyć czas narastania z błędem 5% lub mniejszym.

W przypadku oscyloskopów cyfrowych należy stosować następujące zależności obliczeń:

• Szerokość pasma ≈ 0,43 / (czas narastania),
• Oscyloskop musi mieć czas narastania mniejszy tylko od ok. 0,7 czasu narastania sygnału wejściowego, aby mierzyć narastanie z dokładnością do kilku procent.