Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu

gulson 12 Apr 2021 13:06 6327 1
  • 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 użyto oscyloskopu MSO serii 6 do zilustrowania technik rozwiązywania problemów z wyładowaniami elektrostatycznymi. Nastawy i pomiary będą praktycznie takie same dla porównywalnie wyposażonych oscyloskopów MSO z serii 4 i 5, ponieważ mają one te same elementy sterujące jak 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.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu


    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 amerykańska 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. Oscyloskopy Tektronix z serii MSO 4/5/6 są idealne do takiego pomiaru weryfikacyjnego.

    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 (rysunek 1).

    Wyidealizowany przebieg wyładowania ESD pokazano na rysunku 1.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 1. Prąd wyładowania ma czas narastania poniżej 1 ns


    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.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    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 i używać go do dokładnego pomiaru czasu narastania przy dowolnych 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.

    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).

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    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.

    Do zakończenia przygotowań testu są jeszcze potrzebne 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 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.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    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 są potrzebne 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 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 typowo 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.

    Bardziej płaska charakterystyka częstotliwościowa większości oscyloskopów cyfrowych umożliwia im uzyskanie mniejszego tłumienia przy częstotliwościach poniżej punktu -3 dB niż w oscyloskopach analogowych. Dzięki temu oscyloskopy cyfrowe zapewniają dokładniejsze pomiary. Po drugie, bardziej stromy spadek charakterystyki oscyloskopów cyfrowych pomaga zmniejszyć błędy utożsamiania (aliasingu).

    Zazwyczaj impuls ESD wytwarzany przez ciało człowieka może mieć czas narastania mniejszy niż 200 ps. Szerokość pasma wymagana do dokładnego wyświetlenia tego wynosiłaby zatem ok. 0,43 / (200 ps) czyli 2,15 GHz. Niektóre symulatory ESD mogą generować sygnały o czasie narastania 50 ps i dlatego wymagają szerokości pasma oscyloskopu 8,6 GHz.

    Tor tarcza-tłumik-kabel spowoduje pewną utratę amplitudy sygnału. Wahania strat między jednym układem pomiarowym a drugim muszą wynosić ±0,3 dB w zakresie częstotliwości od DC do 1 GHz i ±0,8 dB od 1 GHz do 4 GHz. Tabela 1 pokazuje, że wahania dokładności systemu mniejsze niż 1 dB mogą znacznie wpłynąć na dokładność pomiaru.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Tabela 1. Zmiana dokładności systemu powoduje wzrost procentowego błędu pomiaru


    Im wyższa szerokość pasma oscyloskopu, tym dokładniej będzie on wychwytywał narastającą krawędź impulsu ESD. Tabela 2 pokazuje, że czas narastania oscyloskopu bezpośrednio wpływa na zmierzony czas narastania impulsu ESD.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Tabela 2. Rzeczywisty czas narastania w porównaniu z obserwowanym czasem narastania jako funkcja szerokości pasma oscyloskopu


    Aby zmierzyć impuls ESD, należy ustawić oscyloskop w tryb pojedynczego wyzwalania z wykorzystaniem wyzwalania zboczem dodatnim. Poziom wyzwalania należy ustawić tuż powyżej zera. Może być konieczna niewielka regulacja poziomu wyzwalania aby uchwycić cały przebieg. Należy ustawić czułość pionową na wartość 200 mV/dz lub 400 mV/dz (w zależności od wybranego napięcia symulatora) i podstawę czasu na 20 ns/dz. Zakładając, że mierzony sygnał ma trójkątny kształt (dla uproszczenia obliczeń), zmierzony czas narastania 800 ps będzie wymagał częstotliwości próbkowania 10 GSa/s, co odpowiada 100 ps/próbkę lub ośmiu próbkom na zboczu narastającym. Wystarcza to do jego dokładnej reprezentacji.

    Weryfikacja wyładowania kontaktowego

    Na ogół normy ESD określają dla większości produktów testowy poziom wyładowania kontaktowego wynoszący ±4 kV, ale może się to różnić w zależności od zastosowania lub środowiska użytkowania. Na rysunku 5 przedstawiono układ do przechwytywania impulsu wyładowania kontaktowego +4 kV. Przewód uziemiający symulatora powinien być podłączony do płaszczyzny uziemienia. W przypadku pomiarów wyładowań kontaktowych grot należy umieścić bezpośrednio na tarczy przed wyzwoleniem symulatora.

    Podczas rzeczywistych testów weryfikacyjnych należy trzymać przewód uziemiający symulatora z dala od przewodu koncentrycznego oscyloskopu, aby zapobiec sprzężeniu kabel-kabel. Norma zaleca uchwycenie przewodu uziemiającego na środku i odciągnięcie go od płaszczyzny uziemienia. Należy utrzymywać końcówkę roboczą wyśrodkowaną w tarczy (rysunek 6).

    W przypadku impulsu o czasie narastania 700 ps potrzebny jest oscyloskop o szerokości pasma co najmniej 4 GHz, aby uzyskać błąd mniejszy niż 1%. Podczas pomiaru czasu narastania należy dodać ten błąd do wszystkich błędów systemu.


    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 5. Układ pomiarowy pokazujący zasadę weryfikacji symulatora ESD dla wyładowania kontaktowego +4 kV do tarczy. Rzeczywista weryfikacja wymagałaby aluminiowej płaszczyzny uziemiającej o powierzchni 1,2 m2. Ze względu na mniejsze rozmiary płaszczyzny demonstracyjnej można zaobserwować odbicia w kablu koncentrycznym, powodujące zakłócenia w przechwyconym przebiegu. Dławiki ferrytowe pomagają zredukować te odbicia


    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 6. Grot końcówki wyładowczej powinien być jak najdokładniej wyśrodkowany na tarczy przed wyzwoleniem impulsu


    Aby przechwycić impulsy ESD na oscyloskopie MSO z serii 4, 5 lub 6, należy wyregulować skalę pionową na wartość 200 mV/dz lub 400 mV/dz (w zależności od ustawienia napięcia symulatora), a podstawę czasu na 20 ns/dz, aby zmieścić większość przebiegu na ekranie. Tryb wyzwalania powinien być ustawiony na „Ręczny”, poziom wyzwalania powyżej lub poniżej zerowej linii bazowej, w zależności od tego, czy weryfikowany jest impuls dodatni czy ujemny (rysunek 7).

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 7. Zapis typowego wyładowania kontaktowego +4 kV przy użyciu demonstracyjnej tarczy ESD. Szczytowe napięcie wynosi 16 V (1,6 V × 10, ze względu na tłumik 20 dB). Oznacza to, że szczytowy prąd wyładowania wynosi 7,6 A dla tarczy 2,1 Ω


    Weryfikacja wyładowania powietrznego

    Na ogół normy ESD określają dla większości produktów poziom napięcia w testach wyładowania powietrznego na ±8 kV, ale może się to różnić w zależności od zastosowania lub środowiska użytkowania. Na rysunku 8 przedstawiono układ do przechwytywania impulsu wyładowania powietrznego +8 kV.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 8. Układ testowy pokazujący zasadę weryfikacji symulatora ESD dla wyładowania powietrznego +8 kV do tarczy. Rzeczywista weryfikacja wymagałaby aluminiowej płaszczyzny uziemiającej o powierzchni 1,2 m2. Ze względu na mniejsze rozmiary płaszczyzny demonstracyjnej można zaobserwować odbicia w kablu koncentrycznym, powodujące zakłócenia w przechwyconym przebiegu. Dławiki ferrytowe pomagają zredukować te odbicia


    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 9. Podczas testowania wyładowania powietrznego należy wycelować grot w środek tarczy podczas zbliżania się do niej pod kątem 90 stopni. Tarcza nowszej konstrukcji jest znacznie trudniejsza do trafienia


    Ostrożne podejście – wyniki weryfikacji wyładowania powietrznego mogą się znacznie różnić, co zależy od prędkości podejścia, kąta natarcia i wilgotności. Wykonując testy wyładowania powietrznego należy zbliżać końcówkę symulatora ESD do tarczy pod kątem 90° i ze stałą prędkością (rysunek 9). Między grotem końcówki a tarczą powinien pojawić się łuk bez faktycznego dotykania tarczy. Można zmaksymalizować powtarzalność, ale należy spodziewać się dużej zmienności kształtu przebiegu i wartości napięcia szczytowego. Wilgotność względna podczas pomiarów demonstracyjnych wynosiła 45%, co może obniżać szczytową wartość napięcia w porównaniu z warunkami normalnymi. Podczas testów wyładowania powietrznego warto dokumentować wilgotność, ponieważ może ona mieć znaczący wpływ na wyniki testów ESD. Ta zmienność jest jednym z powodów, dla których wymagane jest badanie wyładowań kontaktowych, ponieważ dają one z natury bardziej spójne wyniki pod względem czasu narastania i kształtu impulsu. Rysunek 10 przedstawia zarejestrowany impuls wyładowania 8 kV w powietrzu.

    Weryfikacja właściwości symulatora wyładowań elektrostat. za pomocą oscyloskopu
    Rysunek 10. Zapis typowego wyładowania powietrznego +8 kV przy użyciu demonstracyjnej tarczy ESD. Szczytowe napięcie wynosi 25 V (2,5 V × 10, ze względu na tłumik 20 dB), co oznacza szczytowy prąd wyładowania równy 11,9 A dla tarczy 2,1 Ω


    Podsumowanie

    Należy upewnić się, że przed jakimkolwiek wstępnym lub normalnym testem zgodności został wykonany i udokumentowany test weryfikacyjny w celu potwierdzenia prawidłowego działania symulatora. Po zakończeniu testów weryfikacyjnych można przeprowadzić badanie dochodzeniowe lub kwalifikacyjne, wiedząc, że symulator ESD działa prawidłowo.

    Oscyloskopy Tektronix MSO z serii 4, 5 i 6 nadają się idealnie do takich pomiarów weryfikacyjnych ze względu na ich wyjątkową przepustowość i niski poziom szumów wewnętrznych.

    Tespol Sp. z o.o.
    https://tespol.com.pl/


    Bibliografia
    1. IEC 61000-4-2, “Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-2: Testing and measurement techniques – Electrostatic discharge immunity test,” International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, 2001, www.iec.ch.
    2. ANSI C63.16-1993, “American National Standard Guide for Electrostatic Discharge Test Methodologies and Criteria for Electronic Equipment,” American National Standards Institute, New York, NY. www.ansi.org.
    3. Senko and Wyatt, “ESD Simulator Verification,” IEEE EMC Society, 2003, www.ewh.ieee.org.
    4. Weller, Dennis, “Relating wideband DSO rise time to bandwidth: Lose the 0.35!” EDN, December 12, 2002, p. 89. www.edn.com.
    5. https://www.tek.com/oscilloscope/4-series-mso-mixed-mignal-oscilloscope
    6. https://www.tek.com/oscilloscope/5-series-mso-mixed-signal-oscilloscope
    7. https://www.tek.com/oscilloscope/6-series-mso-mixed-signal-oscilloscope

    Jedynym autoryzowanym dystrybutorem oraz serwisem urządzeń Tektronix na terenie Polski jest Tespol Sp. z o.o.
    https://tespol.com.pl/


    [Artykuł Partnerski]

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    gulson
    System Administrator
    Offline 
    Twórca portalu elektroda.pl od roku 1999. Zajmuje się opieką portalu, od czasu do czasu publikując tutaj ciekawostki i felietony. Interesuje się wszystkim, co jest związane z nowymi technologiami. Z wykształcenia technik elektronik, inżynier i magister informatyki po Politechnice Łódzkiej.
    gulson wrote 20552 posts with rating 2049, helped 69 times. Been with us since 2001 year.
  • NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.
  • #2
    Thorgus
    Level 12  
    Może jakieś porównanie z Keysight oraz Rohde and Schwarz?