分析ESD发生器和耦合的频域测量方法

分析静电放电发生器与耦合的频域测量方法郝丽敏 摘 要：在频域中分析 ESD 发生器与耦合需要一种方法。在 ESD 发生器中，脉冲由通过 继电器触点的电压骤降产生。这种电压的骤降被一个矢量网络分析仪的一个端口所替代。 所有的形成矢量网络分析仪电流脉冲与瞬时场的分立元件，与它们组成的结构都被矢量网 络分析仪所激发，就像它们被电压的骤降所激发一样。这样一来，这种方法就允许在消除 电路的风险，并且允许使用相对于示波器来说宽动态范围的网络分析仪的情况下，且在不 使用 ESD 器时，分析电流与场的线性耦合。这种方法适用于其它电压骤降的驱动下的测试， 例如电气快速瞬变，需要一个线性耦合路径的超宽带磁化系数的测量。关键词：ESD,网络分析仪，仿真Abstract: In frequency domain analysis ESD generator and coupling need a way. In ESD generator, by through the relay contacts pulse of voltage sag produce. This voltage sag is a vector network analyzer, a port instead. All of the form vector network analyzer current pulse and instantaneous field division components, and they structure composed of vector network analyzer were motivated by, as they are motivated by the same voltage sag. So, this kind of method is allowed to eliminate the risk of the circuit, and allows the use of relative to oscilloscope is wide dynamic range of network analyzer, and not in use for ESD, the analysis of the current and a linear coupling. This kind of method applies to other voltage sag under the drive of the test, such as electrical fast transient, need a linear coupling path of ultra-wideband magnetized coefficient measurement.Key words: ESD， network analyzer， simulation图 1 三种不同的表现简单的电容放电电流流过电阻 RL 的电路1. 方法A. 基本概念 这种方法基于在线性系统中时域与频域的相似点。为显示这个原理，让我们从使用重 现三个高度简化的ESD发生器对负载放电的电路开始。在图1中，电路A中，一个电容C有一个初始的电压VS，在一个理想的继电器时间 t=0内被放电。电流流过RS与RL，我们感兴趣的是在Rl两端的电压。电路元件C，RS， Rl与开关就如同一个高度近似的ESD发生器与测试下的设备在一起时那样运作。通过分析在t0时可见，在开关串联的电容有初始电压VS （电路A）时相比于串联有 一个阶梯电压源且没有初始电压的电容（电路B）时，终端负载Rl上的电压与电流并没有 不同。实际上，通过一个时域转换（TDT）仪的阶梯函数端口与一个测量RL两端电压（耦 合电压）的示波器端口能够替代这个延时。但是，时域转换仪的动态范围远小于网络分析 仪的动态范围，并且时域分析的抽样会轻易地被意外的ESD时间破坏。因此，我们以一个 网络分析仪替代时域转换仪。这个原理的实现如题1所示的电路C。端口 1连接继电器部分，端口 2通过一个50Q的电阻测量电压。在时域中网络分析仪 的转换被用来得到时域结果。网络分析仪的动态范围的典型要求是100dB，好于时域转换 仪的50-60dB以及示波器的40dB，如果不使用平均化或信号加强技术的话。B. 实现一个ESD发生器的主要模块是一个高电压，有继电器，有脉冲形成网络，放电电阻（RD）， 一个储能电阻（RD），一个接地线与ESD发生器主体的电压源（见图2）。当继电器开启 时，高电压的的电压源对CS充电。此时继电器片之间的缝隙已经足够小，一个电击穿将 导致电容放电。High Voltage Source图2 一个简易的ESD发生器的等效电路。高电压电压源对储能电容（CS）充电。在电容开始放电的瞬间继电器被关闭。图3 个简易的改进后的ESD发生器的等效电路。为了模仿电路的时域特性，电压的暴跌以矢量网络分析仪的端口 1 所替代并使之允许与继电器片直接接触。继电器附件被开启。随着在继电器片接触时电路激励的发生，网络分析仪的端口 1 需要被连接到继电器片 上就如图 3 所示。显然，如果不能移除这个高电压电压源，它就需要被关闭。网络分析仪 通过它内部的电压源激励了 ESD发生器。在图2中的电压V下降得非常快5。它近似于一个对ESD发生器的阶梯响应激励。 通过在矢量网络分析仪中使用傅里叶逆变换与视窗功能的构建，这个阶梯响应能被轻易地 以 S21 数据为基础显示出来。傅里叶逆变换（DFT ）表达如下:X = X(z )=亍x z-n , k=0,l,2.,N-l (1)kknkn=0其中 z = exp (j 2n k N )。k图 4 改良后的 ESD 发生器组件。继电器被打开并且同轴电缆被连接在继电器的触体上，SMA 接头被连在矢量网络分析仪上。如果我们在以上的形式中使用Zk，那么就会变成片分Z变换（CZT）：z = AW-k，k=0,1,.,M-1（2）k当M为任意的整数，并且A与W为任意复数时就有A = A ej2叫与W = W ej2砂。 00若A=1，M=N, W = exp（-j2V.N）与离散的傅里叶变换相符。CZT是一种抽取Z变换的计算方法，这种方法在应用中相比快速傅里叶变换（FFT） 更普遍也更灵活16。窗口化也是需要的因为频域的带限响应的测量造成了时域中响应的循环。窗口化通过 在进行转换成时域数据之前过滤频域数据的方法改善了时域结果的动态范围，同时也付出 了有好的数据的频率响应的代价17， 18。矢量网络分析仪的端口 2能被连接多种传感器类型，例如一个指向捕获ESD放电波形 的ESD电流输出，或是一个与测量的电子系统导线内，场传感器内，或是印刷电路板上的 走线内电流有关联的电流的输出。这些结果显示在章节 3 中。这种潜在的方法，如上所述是很简便的。但是，为达到好的效果，需要一个更仔细的 实现的方式。有三点要特别注意。L13500 nHC1 -110pF-C25 pF-C415 pFCurrent Target& Scope Input图 5 一个 ESD 发生器的等效电路。 Rt 与 Ri 代表电流目标的电阻与示波器的输入阻抗1）在触点上矢量网络分析仪的端口 1 需要被准确地连在继电器片两端。任何来自于 上面的偏差都将改变在射频上的反应因为激励点将会偏离正确的位置。继电器部分的 陶瓷附件被开启，使其能用一个薄的同轴电缆将其直接连接到继电器片。（如图 4）2）电源阻抗应被匹配到的 ESD 发生器电路继电器部分内由火花产生的阻抗上。连接 处的阻抗有三部分的变化。首先，这是一个开路（tvO）；其次，继电器被一个时变的 电阻进行很好的描述（t=0至大约lOOps）；然后，这个继电器被一个连续的25-40V的 电压源进行很好的描述。使用一个500的矢量网络分析仪的端口来替换继电器，导致 由脉冲形成电路造成的额外的损耗与回响衰减（见章节一个390的片电阻被焊接为与 继电器触体并联用来减小源阻抗。这个电阻如图4 所示。3）这个附加的电缆应该电磁透明，那就是，在上面没有共模电流流动。一个低频与 高频材料的结合（商品名称Gigabuster）已经被用来减小共模电流。这个精密的布置 是实验最优化的的结果。C.通过的SPICE仿真结果确认SPICE仿真被用来核实这种方法。建立在一个ESD发生器基础上的等效电路在中 给出，这些需要使用频域方法的改变已经被实现了。C3 1 36 ohm50 ohmVNA port 150 ohm ；ComponentsL_I_C2 pFC1 丄3500 nH110 pF几种 ESD 发生器的等效电路的形式已由46给出。如图5 中的电路所示，电阻 Rt 与R.分别代表电流目标的电阻与示波器的输入电阻。每个Current Target& VNAport2图6改良后的ESD发生器的等效电路。电阻Rt与电阻Ri代表电流目标的电阻与矢量网 络分析仪端口 2的输入电阻。端口 1由电压源VS与内部阻抗RS表示。转换器与Ra分别 代表用来减小源阻抗的铁氧体与附加电阻。元件的功能在的表1中有解释。电容C1被充电至最高电压。这个代表了它被ESD发生 器中的高压电压源充电。在关上继电器后，放电电流经过探针流过Rt。改进过的发生器如图 6 所示。1）阶梯电压源VS代表网络分析仪的频率扫描源头。2）接地线的电感由L1表示。ESD发生器中近场的电耦合被模仿为电容。没有计入辐 射效应。3）铁氧体在模型中被模拟为一个纯的共模电感。矢量网络分析仪的端口2被连接在 Rt两端。端口 1被连接在继电器的触体上。铁氧体在模型中被模拟为一个拥有两个理 想的100uH耦合电感的转换器。R用来减少端口 1的阻抗。a4）图 6 中所示的电路允许有两条路径接地：一个是通过接地带的一个是通过网络分 析仪图 8 使用矢量网络分析仪测量放电电流波形时的频域测量系统的安装的。这可能改变最近时间的电流波形。为避免这种效应，低频的高频的铁氧体（在与 高频的铁氧体的连接上）被放置在同轴电缆附近。这种连接的效应在模型中被模拟为 两个理想的电感。电流波形的计算使用图5与图6中所示的电路，图7为结果的比较。数据被处理了， 第二个峰有相同的大小。两个波形是相似的；但是，图6 中所示电路第一个峰有压降，并 且电压的摆动更小，上升的时间更短。这就是通过并联RS与R改变源阻抗的结果。源阻 Sa 抗增加了脉冲形成电阻-电容-电阻滤波器的响应时间，并产生一个细微的缓慢的上升时间 与一个减小过的放电电流。2. 测量结果在这些数据中，一个时域测量（标准 ESD 发生器）的结果被与一个使用改良的 ESD 发生器的频域结果进行了比较。三种搭配已经被表现出来，这些进一步强调了这些 ESD 测 试有的不同结果。A. 时域与频域的标准化测试使用一个一般的ESD发生器lkV的设置与一个a Tektronix 7404 （4 GHz带宽,20 GS/s）的示波器。这个示波器被分别连接至一个ESD电流负载的输出上，一个F-2000的电 流稳定器或一个小的环。对于频域的测量，要使用一个HP8753 D的矢量网络分析仪。为比较放电电流的波形，一个电流的负载被通过验证的方法确定。在ESD发生器上这 是一个最好的受控的测量结果（如图8所示）。电流的负载被放在屏蔽室墙的边上。第二 个验证结果的测量使用一个小的环。由于派生的场与感应电压的关020406080100Time ns图9使用示波器（美国泰克7404，4GHz BW，20GS/s）测量ESD放电电流与使用VNA测量的比较系，这种放置加强了高频场的响应。测试的第三个设置是，一个结构被选择用来反应料想中的此方法的应用，就像连接至 个人电脑主板的电线的耦合的测量。更多的测量装置安装的细节如图13所示图 9 比较了时域与频域的测量结果。矢量网络分析仪的测量结果与一般的波形形状匹 配得相当好；但是，很多结构的偏差也是存在的。如果使用矢量网络分析仪则数值的摆动 将被减小。最可能的是，这是一个矢量网络分析仪（39Q|50）与一个较强的连有同轴电 缆的铁氧体共模阻抗的继电器的负载的源阻抗的值。第二章的SOICE仿真表现了转换在频 率上的振幅与衰减。我们不认为这些差异限制了这种方法的应用范围，这种差异在相同的ESD发生器模型 中的不同的样品，尤其是在有相同牌子的模拟器中给出了不同。B. 在频域中的感应环路电压的测量在2中可知，瞬时场的产生不仅仅源于接入点的电流，也可能源于 ESD 发生器内部 构造所产生的电流。由于电流上升时间的不同，大于1HZ的场将被电流内部的结构所主宰。 为了了解对场尤其是在高频场的频域分析的有效性，在每个小环的感应电压都被进行了测 量。把一个半圆环（直径28mm，线圈直径0. 7 mm）放在地线层上然后分别接在示波器 或者VNA上。见图10的实验设置和图11和12的结果。这些结果说明了 VNA的测量方 法恰能激起ESD发生器内的高频电流。C. 频域中感应电压在主板走线中的测量。图 10使用矢量网络分析仪的频域测量装置对感应环电压的测量【36e_0 paonpu-图 11 用图 10 装置测量的感应环电压【a69_0 paonpu-图12 用图10装置测量的感应环电压的频谱【ZHFmp】 a6s_0 peonpu一选择第三种实验设置反映ESD与在PC主板上的IC的走线的耦合。其他两个实验设置仅仅强调了一个耦合路径。020406080100法图 13 对连接至主板 的电线与电路板走线 的 ESD 耦合的测量方w ge=oOOscilloscope Measurement VNA Measurement图14在供电良好的主板走线上的干扰电压。ESD发生器被充电至-0.5kV。频域数据通过 2V 的直流电压转换。现在的目标对验证是否放出电流是很好的再生是有用的，并且由于耦合所派生出的自 然属性，使用小的环主要是为了吸引瞬时场和加强高频场。在测量电压路径之前，要使用14和15冲概述的方法来分析主板。这就显示了Power Good”路径是对ESD最敏感的。由于这个原因，所以选它来检测ESD产生的感应电压这个测量设置在图 13 中显示。操作主板被放在一个使用绝缘电环的金属平台上。发 生器产生的ESD被应用于主板平面上同时走线上的电压也被测量。一个铁氧体的同轴电缆 和一个470-0 SMT的电阻器被使用在走线中的电压上。一个过滤了来自电源供应器产生的 Power Good线的并联电容器Cshunt被去除以确保主板的干扰来自与Power Good线圈 (PGL)所产生的耦合。这使得主板重置从8KV下降到大概4KV。图像14中显示了时域和频域的测量比较。ESD发生器被控制在一0.5KV。在那样的条 件下，主板是成直线的；因此，电压路径可以被上述方法重新产生。图15在供电良好的主板走线上的干扰电压。ESD发生器被充电至-4.5kV。耦合效应已经 显现出来。3. 方法局限性的研究实验数据表明VNA方法能够重新产生ESD发生器直到大约2GHz。但是为了更合适 的应用那些方法，我们需要考虑下述局限性。A 线性度关于应用的放电电压的耦合路径需要是直线的。ESD发生器应用于关于充电电压的相 关模式中是线性的，也就是电流波形随着电压伸缩。大多数耦合路径被无源元件所形成， 例如，屏蔽，走线和电感性或者电容性耦合。假如这样，那么被提议的方法论将正确的确 定走线上的电流和电压。然而，如果ICs或者非线性ESD保护的耦合效应能决定电压，只 有在 耦合成一个走线 的线性效应可以被分离成非线性电压耦合效应【6，这个方法才能被 应用。图15展示了一个耦合的例子。它的测量方法和图14 一样，但是ESD发生器被充电到 4.5kV。频域数据被放电电压所测量。如果没有非线性的域效应，耦合电压应该被ESD 发生器的充电电压测量为线性的。然而，在4.5kV，我们可以发现IC的输入电压的耦合 是由ESD防护二极管所引起。这样的耦合不能被上述所说的VNA方法所模拟。当ESD产生了软件性错误，感应电压常常低于耦合临界值，同时位翻转能够在电压电 平发生，这个电压电平在地电压（GND）和电源电压（VDD）之间。当然，在上述方法所 说的情况下，初始的ESD引起二次衰弱，这个方法将不会再次产生耦合电压。总之，我们 建议使用耦合测量的方法，但不是为了电路效应测量。它提供了不用冒任何损坏的危险就 能分析ESD的机会，就像执行在一图16并联500与问并联500电阻的频域测量数据。对源阻抗的建模中继电器触点间电压的骤降如图所示个复杂的同类系统中。他们需要被模仿，例如，通过结合耦合数据与非线性电路使用SPICE。B. 激励等效继电器刀片连接被50-0 VNA端口所取代，这个端口有额外并联的39-0电阻器。然 而，继电器内火花的阻抗不能被简单的表示为220（50 0与39 0并联）。如果足够的电流 在流动，最好用恒定的电压降在25-40 V去模仿，而不是一个用电阻器。电源抗阻的影响 可以通过对照50-0电源抗阻和 22-0电源抗阻来分析。这个可以通过看图 16所显示的更 高抗阻所导致的更弱的声音，这就说明了即使是 22 0 也可能不足够低来完全代替波形的 初始高峰的细节。然而，因为目标是确定耦合，需要区别与变化性的耦合相斥的波形。它 的变化性由底架的触体和线圈的位置所确定。C. 同轴电缆上的普通模式电流理想上，激励不能够改变任何ESD发生器和接地母线中的电流。然而，把一个额外的 电缆被加上。电缆上的普通模式电流改变了电流和辐射特性。在我们的实验中，一个20-mil 半刚性电缆被使用，它有许多铁氧体波导管伴随着它的长和延伸的高渗透性材料来超越任 何低频率电流。然而，普通模式电流不能够被完全抑制。这在某种程度上减弱了振幅。5. 总结提出了一种描述 ESD 发生器和频域耦合的方法。这个方法可以分析放电电流和场效 应，根据 ESD 发生器中的高电压压降，且不需要使用高压。这种方法被 SPICE 模拟和改 进的与非改进的 ESD 发生器的比较所证明。参考文献：1 EMCPart 4-2: Testing and Measurement TechniquesElectrostatic Discharge Immunity Test, IEC International Standard 61000-4-2, 2001.2 R. 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