示波器使用解密（四）：静电电压测验

　　在日常生活中，人们常常会碰到这些现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光；见面握手时，手指刚一接触到对方，会忽然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色。”-- 以上内容摘自百度。我觉得写的还蛮生动，读起来身上不觉有种针刺的感觉 ！ 在空气干燥的季节里，脱衣服这个行为可能会产生600至15000V的静电电压，如果湿度为20％以下，电压甚至可以高达30kV，所以在此提醒大家：静电有风险，脱衣需谨慎。

1 静电的产生以及测验现状

　　静电是物体表面的静止电荷，这也是“静”字的由来。物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中，将发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。当物体表面的静电场梯度达到一定的程度，正电荷和负电荷发生中和，静电放电(ESD -Electro Static Discharge)现象就出现了。

　　静电和电子系统的关系，可以用两个字来表达：“破坏”。“据美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100亿美元，英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑，日本电子元器件的不合格品中不少于45％是因为静电造成的。”-- 以上数据摘自百度。而静电测验也一直是产品整机测验阶段中的风险控制点，原因在于这项测验很容易暴露缺陷，而且静电能量的泄放又和许多原因相关，处理起来比较复杂。

　　以往验证产品抗静电能力的途径是在标准静电实验室进行实测，在某个测验点位实施数次接触或空气放电，同时验证相关功能受到影响的程度。但如果追究以下问题如：在放电过程中，被测主板上的器件承受了多大的能量? 放置ESD器件前后，被保护器件承受的能量有多大的分别，ESD器件能否不焊接以节约产品成本? 物料替代时，看似两个参数很接近的ESD器件，哪一个的静电保护效果更优秀 ? 相似问题一时可能难以作出准确回答，原因归结于缺少定量测验的手段，如果能够进行此项测验 ：

　　从产品开发上讲，测量主板上某颗芯片引脚的静电波形，对抗静电规划、产品可靠性验证以及分析静电导致器件破坏的情况将有指导意义。

　　从物料测验上讲，针对器件替换的情况，放电波形可以提供直观的对比，例如：峰值电压，能量泄放速度这些信息，进一步了解不一样器件的保护效果。

　　本文主要阐述的就是测验静电放电电压波形的方式，以搞定定量分析的问题。

2 测验操作说明

　　2.1 测验设备

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2.2 测验环境实拍

　　环境1：测验ESD器件的静电放电电压波形

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　　环境2：测验产品主板在焊接ESD器件后，对应信号通路的静电放电电压波形。下图是CVBS信号通路，运用同轴线缆采集图中所示测验点的波形。

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2.3 测验步骤

　　将ESD器件焊接在测验主板上。

　　主板和静电枪通过低阻通路完成共地。

　　运用同轴线缆连接ESD器件信号端和示波器输入通道。

　　静电枪放电同时将电压波形采集到示波器，然后观察波形以及测量参数值。

注意：

　　主板走线、线缆、示波器输入通道都需要是50ohm阻抗，这避免了信号反射对波形的影响，使其能反映真实情况。

　　利用两级-20dB衰减器将信号幅度进行100:1衰减，来适应示波器输入通道的电压幅值要求，起到保护示波器的目的。

3 测验结果

　　3.1 型号为ESD5B5.0ST1G的ESD器件接触放电电压波形测验

　　放电电压+4kV

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　　放电电压-4kV

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　　3.2 在ESD5B5.0ST1G的+8kV接触放电测验过程中，运用示波器的带宽限制功能，得到不一样带宽条件下的测验结果

　　放电电压+8kV，带宽1GHz

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　　放电电压+8kV，带宽350MHz

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　　放电电压+8kV，带宽250MHz

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　　3.3 主板的CVBS通路在焊接/不焊接ESD5B5.0ST1G器件条件下的接触放电电压波形测验

　　焊接器件，放电电压+8kV

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　　不焊接器件，放电电压+8kV

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4 测验结果分析

　　4.1 从±4KV放电电压波形中观察特征

　　峰值电压的绝对值在50V左右，而经历峰值以后电压幅度快速衰减到10V左右。

　　相比较+4kV的衰减速度更慢，在250nS以后衰减到0V，而在-4kV放电时这个过程只需要150nS。

　　4.2 从示波器的带宽对测验结果的影响来评估对系统带宽的要求

　　相关文献中较少提到静电测验系统的带宽要求，仅在《IEC 61000-4-2-2008 》中的“B.4.2 Test equipment required for ESD generator calibration”即静电发生器的校准章节中有此说明：针对电流波形的采集，推荐示波器带宽≥2GHz。从该标准中给出的4kV接触放电电流波形中也可以发现，第一个上升沿只有1nS左右，因此需要特别注意到测验系统的带宽。

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　　分别验证了示波器处于1GHz、350MHz、250MHz等3种带宽条件下的放电电压波形，如果仅从峰值电压测验结果上看，当带宽下降到250MHz时，测验数值显著降低了，可见已经不能满足要求。但从反映真实波形以及观察细节的角度出发，依旧建议运用更高带宽的示波器用于静电波形测验。

　　4.3 从主板是否焊接ESD器件情况下的测验结果，验证器件对CVBS通路的静电保护作用

　　放电峰值电压降低，在焊接ESD器件后电压值衰减了10倍左右，约从700V下降到70V。

　　能量泄放速度加快，观察放电50nS后的电压值，不焊接器件时约从峰值的700V衰减到300V，百分比下降到42%；而在焊接器件后电压约从峰值的70V衰减到10V，百分比下降到14%。

5 总结

　　利用这个测验系统捕获的静电放电电压波形，作为定量测验手段，在产品开发以及物料替代的验证测验过程中将体现出价值。但需要注意测验结果与测验环境关系很大，因此更适合在不一样待测设备之间作横向对比，评估其不一样。