a傳輸線對靜電放電防護器件性能測試的影響研究

1、：CEME-2017-A03文章傳輸線對靜電放電防護器件性能測試的影響研究1,靜電與電磁防護2,，石家莊 050003；2.1,1(1. 軍械理工大學(xué) 信息學(xué)院,430063）摘 要: 為了研究靜電放電（ESD）防護器件對快上升沿電磁脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)，建立了基于 IEC61000-4-2金屬模型（Human-Metal m, HMM）ESD 和傳輸線脈沖（Transmisline pulse, TLP）模型的試驗測試系統(tǒng)，對某限壓型靜電放電防護器件進行快沿電磁脈沖注入試驗，獲取了器件的瞬態(tài)波形、箝位電壓和箝位時間，研究了傳輸線長度對的影響并進行了理論分析。研究結(jié)果表明：在傳輸線脈沖測試中，由于脈

2、沖源延遲線和測試系統(tǒng)傳輸線形成的反射波延遲時間大于入射波的脈寬，反射波不會疊加在入射波上；而 HMM ESD 注入試驗中，脈沖發(fā)生器為電阻電容（RC）放電網(wǎng)絡(luò)，反射波影響了測試結(jié)果。因此，在測試 ESD 防護器件瞬態(tài)響應(yīng)和防護性能時，建議采用基于傳輸線脈沖波形的測試方法。: 靜電放電；防護器件；金屬模型；傳輸線脈沖；箝位電壓號：O441.4文獻標志碼：A靜電放電電磁脈沖（ESD EMP）具有亞納秒級上升沿和很短的持續(xù)時間，通過傳導(dǎo)注入和電磁輻射的形式進入電子設(shè)備，可以使半導(dǎo)體器件的電性能降級或損傷，還可能干擾電路系統(tǒng)正常工作，是電子設(shè)備主要的近場危害源1-2。在電源線路、通信線路或電子產(chǎn)品等靜

3、電放電路徑加裝靜電放電防護器件，可以有效提高電子設(shè)備的 ESD 抗擾度3-5。為了研究靜電放電防護器件對快上升沿電磁脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)和防護特性，通常采用基于電阻電容（RC）放電網(wǎng)絡(luò)的金屬模型靜電放電注入測試方法6-8和 50 傳輸線脈沖注入測試方法9-11。在 HMM ESD 測試和 TLP 測試中，要獲得瞬態(tài)響應(yīng)波形，均需要的測試夾具將被測器件（device undertest，DUT）接入測試電述兩種測試方法均是通過 50 同軸傳輸線將脈沖源產(chǎn)生的快沿電磁脈沖注入到 DUT 的被測管腳，而利用傳輸線脈沖信號時，需要考慮阻抗不匹配導(dǎo)致的電磁波反射與傳輸線長度。目前，有關(guān)靜電放電防護器件防護性能

4、測試的文獻，沒有傳輸線長度對電磁波傳輸影響的研究。因此，構(gòu)建了基于上述測試方法的測試系統(tǒng)，即靜電放電注入試驗系統(tǒng)和脈沖注入試驗系統(tǒng)，給出了試驗系統(tǒng)的輸出波形，并以限壓型 NUP 2105L 靜電放電防護器件為試驗對象，開展了靜電放電防護器件快沿電磁脈沖注入試驗，研究了傳輸線長度對的影響并進行了理論分析。試驗配置和測試方法靜電放電注入試驗系統(tǒng)與測試方法靜電放電注入試驗系統(tǒng)，是基于 IEC61000-4-2 HMM 模型構(gòu)建。該系統(tǒng)由靜電放電槍、50 傳輸線測試系統(tǒng)和電磁室等組成，圖 1 為試驗系統(tǒng)配置框圖。其中測試系統(tǒng)包括 BNC 轉(zhuǎn)接頭、50 同軸電纜、雙端口的 50 微帶線測試夾具、電流探頭

5、、30dB 50 衰減器以及高性能數(shù)字示波器。由于 HMM ESD 測試波形的上升沿很陡、小于 1ns，靜電放電過程會產(chǎn)生非常強的電磁輻射，形成頻譜基金項目: 國家自然科學(xué)基金面上項目(60971042)作者簡介:通信作者:（1969), 女，生導(dǎo)師，從事靜電理論與防護及瞬態(tài)場測試研究；。（1996）, 女，本科，從事通信工程研究；14從直流到吉的 ESD EMP12-13，因此，在試驗中為盡可能地減少靜電放電輻射場的干擾，將測試系統(tǒng)和被測器件置于電磁室內(nèi)；同時為保障測試系統(tǒng)阻抗匹配，對測試設(shè)備進行了選型。電流探頭采用 Tek CT-1（測試帶寬為 25kHz1GHz，特性阻抗為 50）；示波

6、器采用 Tek TDS7154B（采樣頻率為 20GHz，測試帶寬 1.5GHz）；測試夾具采用基于微帶設(shè)計原理和電磁場理論研制的微帶線測試夾具（測試頻率范圍：DC1.5GHz；輸入輸出阻抗：50）14,15；靜電放電槍為三基公司生產(chǎn)的NS61000-2A。對 DUT 進行靜電放電注入試驗前（即測試系統(tǒng)未接入 DUT），測試了靜電放電槍輸出電壓為 2kV、4 kV、6kV 和 8 kV 時，測試夾具輸出端的電壓波形。圖 2 為靜電放電槍輸出電壓 2kV 時，測試夾具輸出端的電壓波形。經(jīng)過對比分析，上述波形符合 IEC61000-42 規(guī)定的金屬模型靜電放電電流波形。30025020015010

7、0500-50050100150t/nsFig.1 Diagram of HMM ESD test systemFig.2 output voltage of the test fixture without DUT taken oaccount -2kV ESD gun charging voltage圖 1 HMM ESD 系統(tǒng)配置框圖圖 2 ESD 槍輸出電壓 2kV、未接入 DUT 時測試夾具輸出端的電壓測試方法如下：參考圖 1 將被測靜電放電防護器件（即 DUT）的兩個測試管腳接入 50 的微帶線上。試驗時，靜電放電槍對電磁室處 BNC 連接頭放電，經(jīng)由 50 的同軸電纜線和測試夾具

8、、靜電放電脈沖就施加到了阻抗為 50 的微帶線上，即加到了靜電放電防護器件被測管腳的兩端，而示波器可以同步接收到被測器件兩端的瞬態(tài)響應(yīng)電壓；同時用電流探頭 Tek CT-1 可檢測流過被測器件的靜電放電電流。1.2脈沖注入試驗系統(tǒng)與測試方法脈沖注入試驗系統(tǒng)，基于 TLP 測試原理構(gòu)建。該系統(tǒng)試驗配置與圖 1 的區(qū)別是，將圖 1 中的靜電放電槍更換為脈沖發(fā)生器。該測試系統(tǒng)的其余設(shè)備配置和測試方法與 1.1 節(jié)介紹的相同。需要的是，為了研究靜電放電防護器件在快沿電磁脈沖作用下的瞬態(tài)響應(yīng)，對防護器件做出評價，上述脈沖發(fā)生器應(yīng)能夠產(chǎn)生上升時間1ns 的短脈沖。因此，本文中使用的脈沖發(fā)生器為NOISEK

9、EN 公司生產(chǎn)的 INS-4040，輸出脈沖前沿上升時間小于 1ns，50 匹配阻抗時輸出脈沖幅值為 0V4kV，矩形脈沖寬度為 10 ns、50ns1000ns（每步 50 ns 可調(diào)）。對 DUT 進行脈沖注入試驗前，測試了方波源輸出電壓為 100V、4 00V、600V 和 800V，脈沖寬度 100ns 時，測試夾具輸出端的電壓波形。圖 3 和圖4 分別是示波器分辨率為 40ns 和 10ns源輸出脈沖的參數(shù)為電壓 100V 時，測試夾具輸出端的電壓波形。對比圖 4 可知，該脈沖注入試驗系統(tǒng)能夠產(chǎn)生上升時間1ns 的脈沖。文中所述的測試系統(tǒng)，在測試過程中，由于整個測試回路引入了靜電放電

10、防護器件，即被測器件，導(dǎo)致了測試系統(tǒng)阻抗不匹配，在被測器件所在處傳輸線出現(xiàn)了不連續(xù)點，造成了電磁波反射。因此，在測試中要研究連接脈沖發(fā)生器（靜電放電槍/發(fā)生器）與測試夾具間同軸電纜的傳輸線長度對的影響。文中所研究或所闡述的傳輸線長度均特指脈沖發(fā)生器與測試夾具間的同軸電纜長度。15output voltage/VFig.3 output voltage of the test fixture without DUT（40ns/div）Fig.4 output voltage of the test fixture without DUT（10ns/div）圖 3 未接入 DUT 時測試夾具輸出端

11、的電壓（40ns/div）圖 4 未接入 DUT 時測試夾具輸出端的電壓（10ns/div）2 試驗結(jié)果與分析2.1脈沖注入試驗結(jié)果與分析將 DUT（限壓型 NUP 2105L 靜電放電防護器件）安裝在 1.2 節(jié)所述的脈沖注入試驗系統(tǒng)中，選用2.42m、50 同軸傳輸線連接發(fā)生器和測試夾具，發(fā)生器設(shè)置輸出電壓 100V、脈沖寬度 100ns，對DUT 進行脈沖注入試驗，圖 5 和圖 6 為示波器分辨率為 10ns 和 40ns 被測器件兩端瞬態(tài)響應(yīng)電壓波形。Fig.5 voltage waveform of NUP 2105L （10ns/div）Fig.6 voltage waveform

12、 of NUP 2105L（40ns/div）圖 5 NUP 2105L 兩端的電壓波形（10ns/div）圖 6 NUP 2105L 兩端的電壓波形（40ns/div）由圖 5 可以得到 NUP 2105L 的箝位電壓、箝位時間和過沖電壓20。但是。當(dāng)示波器分辨率為 40ns 時，由圖 6 可觀察到被測器件兩端的電壓波形在注入脈寬 100ns 結(jié)束后，出現(xiàn)了一個電壓約為 0V、時間約 31.6ns的延遲，（備注：因注入脈寬為 100ns，故對應(yīng)的延遲時間為（31.6+100）ns，記為下文表 1 中的試驗值）；之后又出現(xiàn)了脈寬 100ns、電壓幅值與箝位電壓值相當(dāng)?shù)姆瓷潆妷翰ㄐ?。此后?1.

13、6ns 延遲和反射電壓波形依次順序出現(xiàn)，直至電壓衰減至 0V。為了研究延遲時間的影響，做了以下兩組試驗。發(fā)生器輸出電壓分別為 100V 和 600V、脈沖寬度 100ns 時，改變發(fā)生器和測試夾具之間的傳輸線長度為 0.33m、1.34m、2.42m 和 6.46m，對 NUP 2105L做脈沖注入試驗，得到器件的瞬態(tài)響應(yīng)波形，試驗數(shù)據(jù)如表 1 所示。分析表 1 的試驗數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：（1發(fā)生器輸出電壓相同時，改變發(fā)生器和測試夾具之間的傳輸線長度，DUT 的箝位電壓、箝位時間和過沖電壓沒有明顯變化，但延遲時間隨著傳輸線長度的增大而增大；（2）發(fā)生器和測試夾具之間的傳輸線長度相同，改變發(fā)

14、生器輸出電壓相同時，DUT 的箝位電壓、箝位時間和過沖電壓隨著注入電壓的增大而增大，但延遲時間隨著傳輸線長度的增大而增沒有明顯變化。16上述試驗結(jié)果表明，傳輸線長度主要影響了 DUT 瞬態(tài)響應(yīng)波形中反射波的延遲時間。延遲時間，可以通過理論計算獲得。公式（1）和公式（2）分別為傳輸線電磁波的速度和延遲時間計算公式：cv (1)rLt (2)dc()r其中r 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)測試夾具中50 微帶線的介質(zhì)基材是聚四氟乙烯，當(dāng)頻率小于2GHz 時，聚四氟乙烯的相對介電常數(shù)約為 2.1。發(fā)生電磁波反射時，電磁波兩次經(jīng)過傳輸線，因此，長度為 0.33m、1.34m、 2.42m 和 6.46m 的傳輸

15、線，實際對應(yīng)的延遲線長度應(yīng)為 0.66m、2.68m、4.84m 和 12.92m。根據(jù)公式（1）和公式（2），可計算出延遲線對應(yīng)的延遲時間分別為：3.19ns、12.95ns、23.38ns 和 62.41ns，該計算結(jié)果記為下文表 1 中的理論值。對比計算的理論值與試驗結(jié)果可知，實驗測得的延遲時間比理論值均大 109ns 左右，如表 1 所示。表 1 實驗結(jié)果Table 1 Results of experiments延遲時間/ns箝位電壓/V箝位時間/ns過沖電壓/V傳輸線試驗值試驗值-理論值長度/m理論值注入電注入電注入電壓注入電壓注入電壓注入電壓注入電壓注入電壓注入電壓注入電壓壓/1

16、00V壓/600V/100V/600V/100V/600V/100V/600V/100V/600V0.33111.85112.43 19108.66109.2115.7647.6811 9112.6981.61522.791.34120.57120.812.95107.22107.8516.3446.9812.3212.3182.12520.692.42131.6132.623.38108.22109.2216.1547.1212.4212.1781.96530.266.46171.8171.162.41109.39108.6915.7945.7612.2611.928187528.31發(fā)生器

17、的基本工作原理，可簡單闡述“109ns”產(chǎn)生的原因。根據(jù)發(fā)生器通過改變連接高壓電信號，其長度為電磁波源與面板上脈寬選擇模塊接口的傳輸線（亦稱延遲線）長度，以產(chǎn)生不同脈寬的在脈寬一半時間內(nèi)傳輸?shù)木嚯x。當(dāng)脈寬為 100ns 時，根據(jù)公式（2）、通過計算可知，源源用2于產(chǎn)生脈寬的傳輸線長度約為 10.35m。在進行反射波延遲時間計算時，傳輸距離也應(yīng)包含個傳輸線長度（10.35m），即這部分傳輸線造成了 100ns 的延遲。根據(jù)上述分析可知，剩余 9ns 的延遲時間應(yīng)由連接發(fā)生器脈寬選擇模塊接口與脈沖輸出端口的同軸線產(chǎn)生。通過上述分析可知，由脈沖源延遲線和測試系統(tǒng)傳輸線形成的反射波延遲時間大于入射波的

18、脈寬，反射波不會疊加在入射波上，只要測試波形的入射波持續(xù)時間足夠長，就可以得到被測器件的箝位電壓、箝位時間和過沖電壓。因此，測試系統(tǒng)傳輸線長度在滿足測試連接要求下盡量縮至最短即可。2.2靜電放電注入試驗結(jié)果與分析將 NUP 2105L 靜電放電防護器件安裝在 1.1 節(jié)所述的靜電放電注入試驗系統(tǒng)中，如圖 1 所示，選用 1.0 m和 8.0 m 的 50 同軸傳輸線連接靜電放電槍和測試夾具，靜電放電槍設(shè)置輸出電壓 2000V，進行靜電放電注入試驗，被測器件兩端瞬態(tài)響應(yīng)電壓波形如圖 7 所示。由圖 7 可以看出區(qū)域、即是傳輸線長度為 1m、178m 時，反射波與被測器件時域響應(yīng)波形進行疊加的位置

19、。基于電磁波反射原理、利用式公式（1）和公式（2）并結(jié)合靜電放電槍的工作原理，可以解釋上述現(xiàn)象。靜電放電注入試驗系統(tǒng)，基于 IEC61000-4-2 標準規(guī)定的 HMM 模型來構(gòu)建，其中的脈沖發(fā)生器為采用集數(shù)設(shè)計、RC 放電網(wǎng)絡(luò)的靜電放電槍。不同于發(fā)生器，靜電放電槍的沒有較長的傳輸線，只是在測試夾具與靜電放電槍輸出端之間引入了一段 50 傳輸線（文中所述的 1.0 m 同軸線和 8.0 m 同軸線），反射波的延遲時間主要由這段 50 傳輸線引起。利用式（1）和式（2），通過計算可以得到，上述兩種情況下反射波的延遲時間分別為：t1=9.66ns，t2=77.29ns。對比圖 3 中的區(qū)域、，上述

20、理論計算值與試驗值相符。Fig.7 Voltage waveform of NUP 2105der HMM ESD test（2kV）圖 7 2kV-金屬模型靜電放電注入試驗中 NUP 2105L 兩端的電壓波形依據(jù) IEC61000-4-2，可知 HMM 放電電流的能量主要集中70ns，兼顧傳輸線阻抗不匹配時能量的損耗，又要保障前 70ns 靜電放電防護器件時域響應(yīng)波形不失真，為獲得被測器件的瞬態(tài)響應(yīng)波形、靜電放電注入試驗中傳輸線的長度 8m 較為合適。3 結(jié)論1）基于傳輸線脈沖方法測試靜電放電防護器件防護性能時，由于發(fā)生器延遲線和測試系統(tǒng)傳輸線形成的反射波延遲時間大于入射波的脈寬，反射波不

21、會疊加在入射波上，只要測試波形的入射波持續(xù)時間足夠長，就可以得到被測器件的限幅電壓、限幅響應(yīng)時間和過沖電壓。因此，在傳輸線脈沖注入試驗中，對測試系統(tǒng)傳輸線長度沒有要求，但考慮傳輸線阻抗不匹配時能量的損傷，傳輸線長度在滿足測試連接要求下盡量縮至最短即可。2） 在基于 IEC61000-4-2 的 HMM ESD 測試中，因阻抗不匹配產(chǎn)生的反射波對靜電放電防護器件時域瞬態(tài)響應(yīng)波形了影響，而傳輸線的長度決定了反射波在防護器件時域響應(yīng)波形中的位置。因此，考慮HMM ESD 的能量主要集中70ns，兼顧傳輸線阻抗不匹配時能量的損傷，又要保障防護器件對靜電放電前 70ns 時域響應(yīng)波形不失真，靜電放電注入

22、試驗中傳輸線的長度 8m 較為合適。上述研究結(jié)果對靜電放電防護器件性能測試具有很強實際指導(dǎo)意義。參考文獻：1合, 朱長青, 等.靜電放電及危害防護M:郵電大學(xué), 2004:83-86，182-188.( Liu Shanghe, Wu Zhancheng, Zhu changqing，18et al, ESD Hazard and ProtectionM.Beijing: Beijing University ofts andmunications Press, China, 2004, 83-86，182-188)2合,. 電磁環(huán)境效應(yīng)及其發(fā)展趨勢J.國防科技, 2008, 29(1):1-

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