電子系統的靜電放電(ESD)魯棒性性能測試通常采用IEC 61000-4-2作為標準。這個(gè)標準定義了每個(gè)電壓等級下的沖擊電流波形、如何校準ESD脈沖源、用于測量的測試環(huán)境、測試通過(guò)與失敗的判據，此外還提供了如何進(jìn)行測試的指南。

但在對電子系統進(jìn)行ESD測試時(shí)，人們并不知道被測單元實(shí)際能承受多大應力沖擊。對在受沖擊情況下沒(méi)有接地的便攜式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)尤其正確。誠然，在便攜式電池供電產(chǎn)品的ESD測試中，測量實(shí)際沖擊電流是有可能的，甚至還可能通過(guò)簡(jiǎn)單地計算，展示如何從測量中獲得額外的信息。

對于小型產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，工程師經(jīng)常在專(zhuān)門(mén)的測試環(huán)境中執行系統級ESD測試(圖1)。對IEC 61000-4-2測試而言，這些測試環(huán)境包括：地板上的金屬接地板、木桌、放在桌子上的金屬水平耦合板(到接地板有個(gè)0.95米長(cháng)的連線(xiàn)，在水平耦合板之上的一個(gè)0.5mm絕緣層)。

圖1

這樣的測試環(huán)境必然能實(shí)現可重復的結果。首先，將被測設備(EUT)放在絕緣表面上，然后從不同的方向對EUT施加沖擊。例如，給導電表面施加接觸放電，這些表面包括所有金屬外殼和連接器的接地金屬殼。也可以向四周絕緣表面進(jìn)行空氣放電，并將重點(diǎn)放在可能的ESD路徑上，比如設備外殼中的縫隙以及所有通風(fēng)孔及鍵盤(pán)。

間接放電測試也是工作的一部分，特別是在水平和垂直耦合板上進(jìn)行間接放電，以模擬由相鄰物體中的ESD事件引起的電磁干擾(EMI)效應。對設計師工程師來(lái)說(shuō)，使事情變得更加困難和復雜的是施加到EUT上的實(shí)際沖擊大小在這些測量中并不總是很明顯。

這里用一個(gè)便攜式電池供電的個(gè)人數字助理(PDA)作為例子。首先，向USB端口的金屬接地外殼施加接觸放電模式的沖擊，然后用具有1GHz上限帶寬的變壓器類(lèi)型電流探頭(最好是Fischer Custom Communications公司的F-65A)測量電流，并連接到標準的1GHz帶寬示波器。請注意，探頭內徑需要足夠大，以便適配IEC 61000-4-2兼容ESD qiang的約12mm直徑頭子。

圖2

為簡(jiǎn)化對這個(gè)特殊例子的描述，測量參考基準是直接位于桌面上的0.6平方米接地板，不再使用完整的IEC測試裝置(圖2)。ESD qiang的接地線(xiàn)連接到接地板的一個(gè)角。所有測量都在8kV電壓下進(jìn)行。第一次測量直接到接地板中心。這些測量結果采用擴展時(shí)間刻度。

圖3

在第二次測量過(guò)程中，測試工程師將PDA面朝下放在接地板上，以方便接觸微型USB連接器的金屬屏蔽殼。進(jìn)入PDA的電流遠小于直接注入接地板的電流(圖3)。為進(jìn)一步減小電流，在PDA和接地板之間插入0.9cm的絕緣層。

圖4

但是，我們見(jiàn)到的電流減小前后并不一致。當PDA直接放在接地板上時(shí)，初始電流尖峰降低了10%。當PDA放在0.9cm絕緣層上時(shí)，初始電流尖峰減低33%(圖 4)。在20ns點(diǎn)，直接放在接地板上的PDA受到的沖擊要小69%，而位于絕緣層上的PDA受到的沖擊要小93%。電流減少是在沖擊狀態(tài)下給PDA充電的結果。在每次沖擊測試過(guò)程結束后，我們必須將PDA接地使它回到未充電狀態(tài)才能進(jìn)行下次測量。

圖5

圖5所示原理圖可以用來(lái)很好地定量理解上述測量。150pF電容和330Ω電阻對IEC 61000-4-2兼容ESD qiang來(lái)說(shuō)是標準電路元件。qiang與接地板之間的寄生電容提供了IEC 61000-4-2電流波形中包含的初始電流尖峰。這種寄生電容值只有幾個(gè)pF，在定量討論中我們可以忽略不計。

工程師將電流探頭放在放電qiang的尖端周?chē)�，然后開(kāi)始直接向接地板放電，如圖中的短線(xiàn)所示。對圖3中直接放電到接地板的電流在300ns時(shí)間內進(jìn)行積分，可以得到1.21 μC的電量。這個(gè)電容幾乎完全等于給150pF電容充電到8kV所預測的電容量。

向PDA的放電通過(guò)一個(gè)并行平板電容表示，其中一個(gè)極板是PDA的一部分，另一個(gè)極板是接地板。在脈沖初期，PDA電容提供較低的阻抗，注入進(jìn)PDA的電流近似于到地的放電電流。繼續施加脈沖，電荷在PDA到接地板電容中累積，因此PDA上的電位上升，直到PDA和接地板之間的電位和150pF電容上的電壓相等。這時(shí)，不再有電流流動(dòng)，即使ESD qiang的電容還沒(méi)有完全放電。

對充電到PDA的電流進(jìn)行積分，可以得到從ESD qiang轉移到PDA的電荷數量。從ESD qiang轉移到PDA的電荷量可以用來(lái)計算ESD qiang的150pF電容上剩下的電壓，然后再算出PDA上的電壓。理解這個(gè)電壓以及PDA上測到的電荷之后，就可以計算出PDA和接地板之間的電容(見(jiàn)表1)。

測量結果表明，直接放在接地板上的PDA充電到6,253V，而位于0.9cm絕緣層上的PDA充電到7,381V。這些數據分別對應于兩種情況下的41.9pF和12.6pF電容。利用1kHz電感、電容和電阻計,對直接放在接地板上的PDA進(jìn)行電容測量，結果是34pF。鑒于測量技術(shù)的不同，這個(gè)結果相當合理。

測量表明，來(lái)自ESD qiang的電流在電子系統承受ESD沖擊期間是可測量的。在本例中我們發(fā)現，像PDA或手機等便攜式系統上的沖擊能量要比源自ESD qiang的全部沖擊能量要小得多。

一個(gè)簡(jiǎn)單電路模型和基于測量電流的計算可以生成許多有用的信息，如轉移到被測系統的電荷、系統升高的電壓以及系統接地電容的近似值。在初始電流尖峰中的峰值電流不會(huì )像余下電流波形一樣降得那么多。

這個(gè)結果與模型也是一致的。在這個(gè)模型中，PDA的接地電容提供了初始電流尖峰的低阻抗到地路徑。這種測量技術(shù)可以用在空隙放電的情況，只要到電流探頭的意外放電不被解釋為到被測設備的放電。