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满足EMC严苛测试要求 使用示波器检验ESD仿真器

2022-10-124400泰克科技安规与电磁兼容网

目前,大多数高速数字示波器,包括泰克4/5/6系MSOs,都拥有屏蔽精良的输入电路,因此实践中通常不要求法拉第笼。只需把ESD靶安装在1.2平方米铝片上,通常就能防止数字示波器中不想要的触发。

图4. ESD靶和示波器之间的衰减器保护仪器的输入放大器

测试设置方框图如图4所示。需要使用衰减器,保护示波器的输入前置放大器,因为ESD靶可能会产生>50 V的电压。20 dB衰减器很方便,因为它表示10×衰减,把测得电压乘10,就可以得到经过并联的实际电压,然后计算出得到的电流。衰减器必须能够处理最高50 V尖峰,衰减器的带宽必须准确地通过最高4 GHz频率。

选择示波器 – 在选择示波器时,要特别注意仪器的带宽、上升时间和噪声。为了准确地测量信号,且没有采样误差,示波器必须有充足的带宽。对高斯响应示波器,采样率可能要达到示波器带宽的6倍,当然更典型的情况是带宽的4倍。

在使用数字示波器时,还必须注意采样率。数字示波器在可用带宽上的响应比较平坦,在超过3 dB频率时滚降率很陡。因此,采样率要达到示波器带宽的2.5倍,以避免假信号误差。

示波器要想准确地显示ESD脉冲的上升时间,必须有充足的带宽和上升时间。确定示波器指标是否足够的规则,会因模拟示波器和数字示波器而不同。

对模拟示波器,公认的上升时间和带宽规则是:

• 带宽= 0.35/(上升时间),或上升时间= 0.35/带宽。
• 示波器的上升时间必须小于输入信号上升时间的三分之一,以便使上升时间测量误差小于等于5%。
对数字示波器,计算方法如下:
• 带宽 ≈0.43/(上升时间)
• 示波器的上升时间只要达到信号上升时间的大约0.7倍,就能以百分之几的精度测量上升时间。

大多数数字示波器的频响比较平坦,与模拟示波器相比,在-3 dB点以下的频率上生成的衰减较少。因此,数字示波器的测量精度要更高。其次,数字示波器的滚降率较陡,有助于降低假信号误差。

一般来说,人体ESD脉冲的上升时间要小于200 ps。为准确显示这种脉冲,要求的带宽约为0.43/(200 ps),或者2.15 GHz。某些ESD仿真器可能会生成50 ps的上升时间,因此要求8.6 GHz的示波器带宽。

靶-衰减器-电缆链条会产生一定的信号幅度损耗。不同测试设置之间的损耗变化,DC ~ 1 GHz时必须在±0.3 dB,1 GHz ~ 4 GHz时必须在±0.8 dB。表1显示了<1 dB的系统精度变化会大大影响测量精度。

表1. 系统精度变化会引起的测量误差百分比

示波器的带宽越高,它捕获ESD脉冲上升沿的精度越高。表2显示了示波器的上升时间直接影响ESD脉冲测得的上升时间。如果脉冲的上升时间为700 ps,那么示波器的带宽至少要达到4 GHz,才能实现<1%的误差。在测量上升时间时,必须把这个误差加到任何系统误差中。

表2. 真实的上升时间与观测到的上升时间与示波器带宽的关系

为测量ESD脉冲,把示波器设置成单次模式,使用正边沿触发。把触发电平设置成刚好高于0。可能要稍微调节触发电平,以捕获整个波形。把垂直灵敏度设置成200 mV/div或400 mV/div (视选择的仿真器电压而定),把时基设置成20 ns/div。假设测得的信号是三角形波(为计算简单起见),那么测得的上升时间为800 ps时,要求的采样率是10 G样点/秒,等于100 ps/样点,或者一个上升沿上8个样点,足以准确地表示样点。

检验触点放电

大多数ESD标准对大多数产品规定触点放电测试电平为±4 kV,但会因应用或使用环境而变化。在图5中,我们演示了捕获+4 kV触电放电脉冲。仿真器地线应连接到地面。在进行触电放电测试时,先把尖端直接放到靶上,然后再触发仿真器。

在实际检验测试过程中,仿真器地线应尽量远离示波器同轴电缆,防止电缆到电缆耦合。标准推荐抓住中间的地线,从地面上拉开。触点放电尖端要一直位于靶的中心(图6)。

图5. 这一测试设置演示了ESD仿真器到靶+4 kV触点放电的检验原理。实际检验要求1.2平方米的铝片地面。由于演示地面的面积减少,我们可以观察到同轴电缆反射,在捕获的波形中导致了纹波。铁氧体扼流圈有助于减少这些反射。

图6. 在触发脉冲前,触点放电尖端应尽可能位于靶的中心。

为在4系、5系、6系MSO上捕获ESD脉冲,把垂直标度调到200或400 mV/格(视仿真器的电压设置而定),把水平时基调到20 ns/格,以在屏幕上捕获大多数波形。把触发模式设置成手动(“Manual”),把触发电平设置成高于或低于零伏基线,具体看检验的是正向脉冲还是负向脉冲。

图7. 使用ESD靶捕获典型的+4 kV触点放电。峰值电压是16 V (1.6 V ×10,因为20 dB衰减器)。这表示流经2.1 Ω靶的峰值ESD电流为7.6 A。

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