示波器应用解密：静电电压测试

“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，会突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 静电的产生以及测试现状

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。而静电测试也一直是产品整机测试阶段中的风险控制点，原因在于这项测试很容易暴露缺陷，而且静电能量的泄放又和许多因素相关，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，在某个测试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区别，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 ? 类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试的手段，如果能够进行此项测试 ：

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

l 从物料测试上讲，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，进一步了解不同器件的保护效果。

本文主要阐述的就是测试静电放电电压波形的方法，以解决定量分析的问题。

2 测试操作说明

2.1 测试设备

2.2 测试环境实拍

环境1：测试ESD器件的静电放电电压波形

环境2：测试产品主板在焊接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，使用同轴线缆采集图中所示测试点的波形

2.3 测试步骤

l 将ESD器件焊接在测试主板上。

l 主板和静电枪通过低阻通路完成共地。

l 使用同轴线缆连接ESD器件信号端和示波器输入通道。

l 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：

l 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。

l 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 测试结果

3.1 型号为ESD5B5.0ST1G的ESD器件接触放电电压波形测试

1时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。

放电电压+4kV

放电电压-4kV

3.2 在ESD5B5.0ST1G的+8kV接触放电测试过程中，使用示波器的带宽限制功能，得到不同带宽条件下的测试结果

放电电压+8kV，带宽1GHz

放电电压+8kV，带宽350MHz

放电电压+8kV，带宽250MHz

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试

焊接器件，放电电压+8kV

不焊接器件，放电电压+8kV

4 测试结果分析

4.1 从±4KV放电电压波形中观察特征

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

l 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试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试系统的带宽要求，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试系统的带宽。

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试结果上看，当带宽下降到250MHz时，测试数值明显降低了，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，仍然建议使用更高带宽的示波器用于静电波形测试。

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

l 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。

l 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

利用这个测试系统捕获的静电放电电压波形，作为定量测试手段，在产品开发以及物料替代的验证测试过程中将体现出价值。但需要注意测试结果与测试环境关系很大，因此更适合在不同待测设备之间作横向对比，评估其差异。