Сравнение различных процедур проверки воздействия электростатического разряда. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2012

Dwight Byrd и Thomas Kugelstadt, Texas Instruments

EDN

Часть 1

Устойчивость к ЭСР

Проверка на устойчивость к ЭСР на системном уровне воспроизводит влияние ЭСР человека на электронный компонент (Рисунок 7а). Электростатический заряд может накапливаться на человеке при низкой относительной влажности, на напольных покрытиях с плохой проводимостью или на синтетической одежде. Чтобы смоделировать разряд, генератор ЭСР подает импульсы на тестируемое оборудование двумя способами. Первый – через разряд при непосредственном контакте с проверяемым оборудованием. Второй – через косвенный контакт с оборудованием, когда разряд происходит через воздушный промежуток. Международная Электротехническая Комиссия (IEC) определяет этот тест в спецификации IEC61000-4-2.

Рисунок 7.	Проверка на устойчивость к ЭСР на системном уровне воспроизводит влияние ЭСР человека на электронный компонент (а). В соответствии со спецификацией, тест повторяется, как минимум, 20 раз (б).

Определяющими параметрами данного теста являются время нарастания, которое не должно превышать 10 нс, и ширина импульса, равная примерно 100 нс, что позволяет характеризовать тестовый сигнал как импульс с небольшой энергией. Тест на устойчивость к ЭСР требует проведения десяти разрядов импульсами как положительной, так и отрицательной полярности, с интервалом в 1 с. Таким образом, в соответствии со спецификацией, проверка производится, как минимум, 20 раз (Рисунок 7б).

Рисунок 8 показывает различия между стандартами тестов на уровне устройств и на уровне систем. IEC тест на ЭСР, который многие называют золотым стандартом тестирования электронных компонентов, обычно имеет восьмикратное превышение по напряжению, по сравнению с тестом CDM, и двадцатикратное превышение по амплитуде тока, по сравнению с HBM.

Рисунок 8.	IEC проверка на ЭСР имеет восьмикратное превышение по уровню напряжения по сравнению с проверкой МЗУ и двадцатикратное по току по сравнению с МЧТ.

Устойчивость к быстрым переходным процессам (EFT/B)

Стандарт теста уровня системы IEC61000-4-4 описывает модель проверки устойчивости к быстрым переходным процессам (electrical-fast-transient – EFT) (Рисунок 9). Поскольку в качестве испытательных сигналов используются пачки коротких импульсов, для обозначения теста нередко используется аббревиатура EFT/B («burst» – «B» – в данном контексте переводится как «пачка»). Тест EFT, воспроизводит переходные процессы, постоянно возникающие в повседневном окружении при отключении индуктивной нагрузки, дребезге контактов реле и при работе электродвигателей. Испытанию подвергаются все линии – силовые, сигнальные и земляные. Пачки импульсов имеют фиксированную длительность. Генератор тестовых сигналов EFT вырабатывает последовательность импульсов, уровень которых спадает до 50% от пикового значения менее чем за 100 нс. Импульсы отстоят друг от друга на 1 мкс. Типичная длительность пачки равна 15 мс, а период – 300 мс. Цикл повторяется на протяжении 10 с, после чего тест приостанавливается на 10 с. Так повторяется шесть раз. Полный тест занимает 110 с. Смысл теста EFT заключается в малом времени нарастания импульса, большом количестве повторений и низком уровне энергии.

Хотя по времени нарастания и энергетическим показателям EFT напоминает тест ЭСР, по количеству импульсов тесты принципиально различаются. При интервале между импульсами 1 мкс и длительности пачки 15 мс количество импульсов в ней равно, как минимум, 15,000. В пределах цикла 10 с количество пачек равно 10 с / 300 мс = 33.3. Умножив это количество на 15,000 получаем 500,000 – количество импульсов в одном цикле. Таким образом, в полном тесте в течение 110 с на испытываемое оборудование поступит 3 млн. импульсов.

Устойчивость к броскам напряжения

Тест на устойчивость к броскам напряжения, или к грозовым разрядам – IEC61000-4-5 – самый жесткий по уровню токов и длительности импульсов (Рисунок 10а). Однако испытатели часто используют этот тест для сигнальных и силовых линий протяженностью более 30 метров. Тест моделирует броски напряжения, возникающие вследствие прямого или косвенного воздействия грозовых разрядов, или при коммутации мощных нагрузок, включая их изменение и короткое замыкание.

Рисунок 9.	Стандарт теста уровня системы IEC61000-4-4 описывает модель проверки устойчивости к быстрым переходным процессам (а). В качестве испытательных сигналов используются пачки коротких импульсов (б).

Тест регламентирует форму сигнала на выходе генератора для режимов холостого хода и короткого замыкания. Отношение пикового напряжения холостого хода к пиковому току короткого замыкания определяет выходной импедансом генератора. Отличительной особенностью теста является значительная энергия импульса, обусловленная большим током имеющего низкий выходной импеданс генератора, и длительностью импульса, примерно в 1000 раз превышающей длительность импульсов в тестах ЭСР и EFT.

Тест предписывает подать пять положительных и пять отрицательных бросков напряжения с интервалом не более 1 минуты. На практике, для сокращения полного времени теста до 2 минут, интервал выбирают равным 12 с. Это усиливает воздействие теста из-за уменьшения времени восстановления между импульсами, но значительно снижает стоимости проверки (Рисунок 10б).

Рисунок 10.	Тест на устойчивость к броскам напряжения, или к грозовым разрядам – IEC61000-4-5 – самый жесткий по уровню токов и длительности импульсов (а). Для сокращения полного времени теста интервал между импульсами выбирают равным 12 с. Это усиливает воздействие теста, но значительно снижает стоимости проверки (б).

Проверка на уровне системы

IEC определяет стандарты тестов уровня системы в соответствии с IEC61000-4. Семейство стандартов включает примерно 25 спецификаций тестов системного уровня для проверки на устойчивость к переходным процессам: IEC61000-4-2 для ЭСР, IEC61000-4-4 для EFT и IEC61000-4-5 для грозовых разрядов. С помощью Таблицы 2 можно сравнить все три метода.

Низкие напряжения и токи в тестах уровня устройства HBM, ММ и CDM сегодня не соответствуют возрастающим требованиям к тестам системного уровня. Однако, подходы к тестированию потребительской продукции и промышленного оборудования и систем сильно различаются. При разработке потребительских изделий приоритет отдается тестам на устойчивость к ЭСР вследствие повышенной вероятности контакта человека с кабельными разъемами.

Для разработчиков промышленных приложений, наоборот, тесты на устойчивость к быстрым переходным процессам и броскам напряжения намного важнее, чем тесты ЭСР. Постоянная бомбардировка электрическими выбросами, порождаемыми электромоторами и другими индуктивными коммутируемыми нагрузками, создает для системы гораздо более серьезные риски, нежели ЭСР, так как контакт с человеком происходит лишь во время монтажа и обслуживания, и к тому же, оператор, как правило, одет в антистатическую одежду.