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ESD模拟器试验不确定性简要分析

T107283

2019/07/01
华测检测认证集团

物性测试综合讨论

文/孙成明许展川刘笠华测检测（汽车电子EMC实验室）
1 概述
GB/T 17626.2-2006 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验IDT IEC 61000-4-2:2001经两次修订为GB/T17626.2-2018 IDT IEC 61000-4-2:2012，欧盟也相应改版为EN61000-4-2:2009；主要修改内容是，试验脉冲参数和试验方法等；旨在减小试验不确定性。
静电放电（简称ESD）试验的不确定性与试验设备、试验方法及环境条件等诸多因素有关。其中，ESD模拟器（试验脉冲发生器）输出脉冲波形参数的不确定性直接影响试验结果的判定。因此，IEC61000-4-2:2008/2012 对ESD模拟器输出波形参数和试验校验方法提出了新要求。某些在用ESD模拟器可能已不符合新标准要求。本文旨在简要分析ESD模拟器输出波形对试验不确定性的影响，引导ESD试验工程师校验、选择合格和正确使用ESD模拟器。
2 ESD模拟器基本原理和输出波形参数要求
2.1 ESD模拟器基本原理
IEC 61000-4-2：2008/2012规定的ESD模拟器基本工作原理如图1所示。

注：图中，Cs为分布参数，对ESD输出放电电流峰值和I30,I60有一定影响；是IEC 61000-4-2:2008/2012新增加的参数。
2.2 ESD模拟器输出波形和参数要求
IEC 61000-4-2：2008规定ESD模拟器输出脉冲波形要求见图2；它与IEC61000-4-2：2001/1995规定的波形参数要求有差别，见表1所示。

表1试验脉冲波形参数要求
项目参数单位 IEC 61000-4-2：1995/2001 IEC61000-4-2：2008/2012
脉冲上升时间 tr ns 0.7-1.0 0.6-1.0
第一峰值电流 Ip A ±10% ±15%
放电电流/30ns I30 A ±30% ±30%
放电电流/60ns I60 A ±30% ±30%

3 试验不确定性简要分析
3.1试验脉冲参数校准
3.1.1 IEC 61000-4-2：2001校准方法要求和测试结果
IEC 61000-4-2：2001规定的校准方法是，输出串接50Ω匹配电阻，测试ESD模拟器脉冲输出电压减半。
现市场上经过认证检测合格的ESD模拟器测试，即使符合IEC61000-4-2：2001规定要求，未必符合IEC 61000-4-2:2008/2012要求（参见下图3b），由于校准结果与实际试验负载不同，试验存在较大的不确定性。
3.1.2 IEC 61000-4-2：2008/2012校准方法要求和测试结果分析
IEC 61000-4-2：2008/2012规定的校准方法是，输出不串50Ω匹配电阻，测试ESD模拟器输出开路电压（不再减半）。
例如：按IEC 61000-4-2：2008/2012校准方法要求，重新测试所选ESD模拟器的输出脉冲上升时间（tr）和第一峰值电流（Ip），放电电流（I30，I60），仅有一种产品接近标准规定下限值，见图3a）；其余3种产品，均未达到新标准规定的波形参数要求，如图3b）所示。

上述测试结果说明：
1）按IEC 61000-4-2：2001校准方法校准合格的ESD模拟器，重新按IEC 61000-4-2：2008/2012校准方法校准，国内外大多数ESD模拟器已不符合IEC61000-4-2：2008/2012标准规定要求。主要差异是，测试ESD模拟器放电电流波形，第一峰值电流（Ip）和放电电流（I30，I60）均未达到标准规定要求。
2）若用于产品ESD测试，存在或增加试验的不确定性；可能导致对受试设备的过度测试或测试不足。
3.2 试验校验方法
IEC 61000-4-2：2001规定，测量5次，取5次脉冲平均值。ESD模拟器输出脉冲校验结果离散性较大，试验存在不确定性。
IEC 61000-4-2：2008/2012对ESD模拟器输出脉冲波形校验的可重现性提出了更高要求。规定在一个时间里或个别评估时，每个测量等级要记录5个脉冲；每一个脉冲每单次测量（tr, Ip, I30, I60）都必须符合规定要求；以期减小ESD模拟器特性和操作带来的不确定性。
满足IEC 61000-4-2:2008/2012要求的新型ESD模拟器的输出脉冲上升时间（tr）减小，在(0.6-0.9)ns之间；第一峰值电流（Ip）增大，达到规定值范围；同时，放电电流（I30，I60）也很快降到规定值范围内。校准/校验波形的一致性明显增强。如图4所示。

3.3减小分布参数影响
从ESD模拟器基本工作原理（见图1）可看出，放电脉冲时间常数主要由Rd和（Cs+Cd）
决定，其中Cs为分布参数，它与放电电路PCB、放电枪结构、接地平板及试验环境条件等有关。对这些分布参数，除放电回路（PCB）和放电枪结构可以设计控制外，其它环境分布参数有一定的试验随机性。所以，ESD试验必须严格按试验环境条件规定，由经过实际操作培训合格的试验工程师或技师操作，以减少试验环境的不确定性对试验结果的影响。
3.4汽车电子零部件ESD试验
汽车电子ESD试验GB/T19951-2005已改版为GB/T19951-201X（待发布），MOD ISO 10605:2008。主要修改内容包括有：试验环境温度，环境湿度，接地线长度，绝缘块厚度（25±2.5mm改为50±5mm），不接地设备试验方法，水平和垂直耦合板，测试桌上安全地线；试验脉冲放电参数，放电电极等。
实验室应按新版本修改ESD试验SOP，需结合产品实际进行试验验证。
4结束语
本文简要介绍了IEC 61000-4-2:2008/2012与IEC61000-4-2: 1995/2001对ESD模拟器特性和试验校准校验要求，并简要分析了ESD模拟器试验不确定性和按IEC 61000-4-2：2008/2012版要求进行校验和试验的要点，也同样适用于GB/T19951-2005/201X。对于减少ESD试验的不确定性有一定的指导参考意义。

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