ESD模擬器電壓校準(zhǔn)方法研究

王書平 王 彪

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，石家莊 050003)

?

ESD模擬器電壓校準(zhǔn)方法研究

王書平 王 彪

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，石家莊 050003)

本文在研究不同類型ESD模擬器放電電壓校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為不能從ESD模擬器放電電極進(jìn)行校準(zhǔn)的模擬器提出了新的校準(zhǔn)方法，即用間接測(cè)量法對(duì)ESD模擬器的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果判斷被校ESD模擬器的放電電壓是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。該方法對(duì)ESD模擬器具有普遍適用性。

ESD模擬器；放電電壓；校準(zhǔn)

0 引言

隨著電子器件向微型化、高集成化和低功耗方向發(fā)展，靜電放電(ESD)對(duì)電子器件及其組成的電子設(shè)備/產(chǎn)品造成的危害越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球電子工業(yè)損失中，約有33%是靜電造成的[1]。目前，我國(guó)強(qiáng)制對(duì)電子產(chǎn)品實(shí)施的3C認(rèn)證，就包含ESD抗擾度試驗(yàn)。ESD擾度試驗(yàn)所用的測(cè)試設(shè)備就是ESD模擬器。為了保證靜電放電抗擾度測(cè)試的準(zhǔn)確性，需要對(duì)ESD模擬器進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

目前，國(guó)際公認(rèn)的靜電放電抗擾度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2(EMC-Part4-2，2008)。我國(guó)現(xiàn)行的GB/T17626.2-2006標(biāo)準(zhǔn)中“靜電放電抗擾度試驗(yàn)”等同于IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)2001版。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了靜電放電電流波形參數(shù)指標(biāo)和具體的校準(zhǔn)方法，規(guī)定了ESD模擬器的放電電壓的技術(shù)指標(biāo)和校準(zhǔn)部位。

依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)，由于ESD模擬器放電槍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，有些放電電壓校準(zhǔn)結(jié)果超出了指標(biāo)要求。因此，需要研究放電電壓的校準(zhǔn)方法。本文針對(duì)不同種類的槍式ESD模擬器進(jìn)行放電電壓校準(zhǔn)，研究并提出合理的校準(zhǔn)方法。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ESD模擬器的總要求和校準(zhǔn)設(shè)備要求

ESD抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2規(guī)定了ESD模擬器應(yīng)滿足的總要求[2]，如表1所示。

表1 ESD模擬器總要求

注：① 開路電壓在ESD模擬器放電電極處測(cè)量； ② ESD模擬器能夠產(chǎn)生至少20次/s的放電； ③ 測(cè)試電壓較低時(shí)，不需要使用15kV的空氣放電。

從表1中可以看出，ESD模擬器放電電壓的校準(zhǔn)是在開路狀態(tài)下測(cè)量放電電極上的電壓，按照標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)注，兩種放電方式下的放電電壓都要進(jìn)行校準(zhǔn)，但在該標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出校準(zhǔn)儀器應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)。在JJF 1397—2013“靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī)范”中，規(guī)定ESD模擬器輸出電壓校準(zhǔn)可在接觸式或空氣式放電模式下進(jìn)行，校準(zhǔn)用設(shè)備要求為高壓表或具有類似功能和指標(biāo)的單臺(tái)儀器或多臺(tái)儀器的組合[3]，技術(shù)指標(biāo)要求為：量程：≥15kV；輸入阻抗：≥1GΩ。

2 不同型號(hào)ESD模擬器放電電壓的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)JJF 1397—2013“靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī)范”，采用滿足要求的JDY-3A靜電電位動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，對(duì)不同型號(hào)ESD模擬器的放電電壓進(jìn)行測(cè)試。

JDY-3A靜電電位動(dòng)態(tài)測(cè)試儀的技術(shù)指標(biāo)為：

輸入阻抗：≥1.0×1012Ω；

測(cè)量范圍：0～±1.999kV(2kV檔)；0～±19.99kV(20kV檔)；

最大允許誤差：±1.0%。

被校ESD模擬器為NSG435型、NS61000-2A型和ESS-200AX型ESD模擬器。三種型號(hào)ESD模擬器的放電網(wǎng)絡(luò)全部為人體-金屬模型，即充電電容為150pF、放電電阻為330Ω。放電電壓按照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的四個(gè)放電等級(jí)進(jìn)行，放電電壓測(cè)試結(jié)果見表2～表4。

表2 NSG435型ESD模擬器測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 NS61000-2A ESD模擬器測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 ESS-200AX ESD模擬器測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，當(dāng)采用空氣式放電方式時(shí)NSG435型ESD模擬器放電電極上的測(cè)試值與該模擬器的顯示值滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±5%的誤差，而采用接觸式放電方式時(shí)，放電電極上的電壓與NSG435型ESD模擬器的顯示值相差甚遠(yuǎn)，因此，NSG435型ESD模擬器放電電壓的校準(zhǔn)不能采用接觸式放電來進(jìn)行。

從表3和表4可以看出，NS61000-2A型ESD模擬器和ESS-200AX型ESD模擬器不管采用哪種放電方式，其測(cè)試值與被校模擬器上的顯示值相差較多，不能滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 ESD模擬器放電電壓測(cè)試結(jié)果不一致的原因分析

在靜電放電抗擾度測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，只給出了ESD模擬器的簡(jiǎn)要框圖，如圖1所示，并沒有給出模擬器的構(gòu)造詳圖。其中，電容Cs+Cd為150pF，Cs為放電網(wǎng)絡(luò)的充電電容，Cd為分布電容，放電電阻Rd為330Ω。

圖1 ESD模擬器的原理框圖

單從圖1來分析ESD模擬器放電電壓的校準(zhǔn)，不能說明空氣式放電電壓校準(zhǔn)與接觸式放電壓校準(zhǔn)的不同，需要從ESD模擬器的實(shí)際結(jié)構(gòu)去分析。

目前，一般的ESD模擬器大多是利用集總參數(shù)電路來實(shí)現(xiàn)其功能的。放電方式分為空氣式放電和接觸式放電。空氣式放電是按下控制開關(guān)使模擬器放電電極帶上高壓，然后使放電槍接近被測(cè)設(shè)備，當(dāng)放電電極與被測(cè)設(shè)備間達(dá)到放電條件時(shí)，發(fā)生放電；而接觸式放電是放電電極與被測(cè)設(shè)備的測(cè)試點(diǎn)相接觸，然后，按下放電開關(guān)通過放電槍內(nèi)的繼電器進(jìn)行放電。由于兩種放電方式的控制開關(guān)在電路中的位置不同，因此，按下控制開關(guān)時(shí)，放電電極上所帶的電壓不一定是充電電容上的開路電壓，導(dǎo)致ESD電壓校準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)了上述問題。

此外，由于集總器件本身及其布置產(chǎn)生的寄生參數(shù)以及ESD模擬器的分布參數(shù)等使得ESD模擬器的等效電路變得復(fù)雜，ESD模擬器放電槍的等效電路可用圖2來示意。其中，Cs+Cd和Rd仍代表放電模擬器的放電網(wǎng)絡(luò)，C2和C3代表放電槍對(duì)放電物體形成的分布電容和對(duì)地形成的分布電容，Ld為放電電阻的分布電感，L1為連接部位的電感，L2為放電回路電纜的分布電感，因此，實(shí)際ESD模擬器的等效電路比簡(jiǎn)單的原理電路復(fù)雜的多。國(guó)內(nèi)有些研究人員對(duì)ESD模擬器放電時(shí)的雜散參數(shù)和分布參數(shù)進(jìn)行了模擬仿真，并確定了ESD模擬器等效電路中的一些分布電容和分布電感參數(shù)值[4]。

圖2 ESD模擬器放電槍等效電路

由于不同廠家生產(chǎn)的ESD模擬器結(jié)構(gòu)不同，使得其內(nèi)部的分布參數(shù)值也不同，也影響了開路狀態(tài)下放電電極上的電壓值。因此，如何判斷開路狀態(tài)下放電電極放電電壓值的大小，成為ESD模擬器放電電壓校準(zhǔn)的難題。

4 ESD模擬器放電電壓校準(zhǔn)方法研究

根據(jù)ESD模擬器的不同結(jié)構(gòu)，其靜電放電電壓的校準(zhǔn)可以分成以下兩種情況：

4.1 采用空氣式放電方式進(jìn)行校準(zhǔn)

對(duì)于像NSG435型ESD模擬器，可以采用空氣式放電方式對(duì)其ESD電壓進(jìn)行校準(zhǔn)。雖然該種ESD模擬器在接觸式放電方式下校準(zhǔn)的放電電壓值不能滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的要求，但如果空氣式放電方式下其靜電放電電壓準(zhǔn)確，足以說明ESD模擬器的放電網(wǎng)絡(luò)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 采用校準(zhǔn)ESD模擬器的高壓源、充電電容和放電電阻的方法進(jìn)行校準(zhǔn)

對(duì)于像NS61000-2A型ESD模擬器和ESS-200AX型ESD模擬器，無法從放電電極端進(jìn)行校準(zhǔn)，但為了實(shí)現(xiàn)靜電放電電壓的校準(zhǔn)，必須采用其它的方法來解決。

從計(jì)量的角度來分析，如果不能采用直接測(cè)量法，那么可以考慮采用間接測(cè)量法。由于放電電極上的開路電壓反應(yīng)的是充電電容上的電壓，所以，如果能夠保證給電容充電的高壓源和充電電容的性能，那么就能保證充電電容放電電壓的準(zhǔn)確性。此外，考慮到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)放電網(wǎng)絡(luò)整體的要求，所以，增加了放電電阻的校準(zhǔn)，根據(jù)這些分析，擬采用校準(zhǔn)ESD模擬器高壓源、充電電容和放電電阻的方法實(shí)現(xiàn)ESD模擬器放電電壓的校準(zhǔn)。

針對(duì)ESS-200AX型ESD模擬器高壓源、充電電容(150pF)和放電電阻(330Ω)進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表5和表6。

從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來看，ESS-200AX型ESD模擬器高壓源的最大誤差是-1.0%、充電電容的誤差為7.4%、放電電阻的誤差為-3.7%，GB/T17626.2標(biāo)準(zhǔn)要求充電電容和放電電阻的誤差為±10%[5]，所以，ESS-200AX型ESD模擬器充電電容和放電電阻兩個(gè)參數(shù)的誤差滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且其高壓源的誤差滿足±5%，說明ESS-200AX型ESD模擬器放電網(wǎng)絡(luò)提供的放電電壓滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，對(duì)ESS-200AX型ESD模擬器進(jìn)行了靜電放電電流測(cè)試，其技術(shù)指標(biāo)滿足JJF1397-2013對(duì)接觸式靜電放電電流參數(shù)的要求。綜合上述兩項(xiàng)指標(biāo)可判斷被校ESS-200AX型ESD模擬器滿足JJF 1397-2013。因此，對(duì)不能從放電電極端進(jìn)行放電電壓校準(zhǔn)的ESD模擬器，可以采用間接測(cè)量法，即校準(zhǔn)ESD模擬器的高壓源、充電電容和放電電阻的方法對(duì)ESD模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)。

表5 ESS-200AX ESD模擬器高壓源校準(zhǔn)值

表6 ESS-200AX充電電容和放電電阻校準(zhǔn)值

5 結(jié)語

通過對(duì)不同型號(hào)的ESD模擬器放電電壓進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)ESS-200AX型和NS61000-2A型ESD模擬器放電電壓校準(zhǔn)不能完全按照J(rèn)JF 1397-2013標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。對(duì)于該類ESD模擬器，提出間接測(cè)量法，即通過校準(zhǔn)ESD模擬器高壓源、充電電容和放電電阻的方法實(shí)現(xiàn)ESD模擬器的校準(zhǔn)。上述方法不確定度的來源有所增加，但只要選擇合適的校準(zhǔn)儀器，就可解決ESD模擬器放電電壓校準(zhǔn)的難題。該校準(zhǔn)方法對(duì)ESD模擬器具有普遍適用性，從而保證了ESD抗擾度試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

[1] 劉尚合，魏光輝，劉直承，等.靜電理論與防護(hù)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999

[2] IEC 61000-4-2：Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 4-2：Testing and measurement techniques-Electrostatic discharge immunity test [S]，2008

[3] JJF 1397—2013靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī)范[S]，2013

[4] 劉素令，段平光，李霞，等.靜電放電模擬器電路建模分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(6)

[5] GB/T 17626.2 電磁兼容·試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)[S]，2006

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.17