静电防护的台式处理方法
静电放电(ESD)是对便携式和其他电子产品造成严重破坏的有害物质之一。制造商必须建立保护电流从这些高压脉冲放电。这对于I/O和电源连接器，以及用户界面中任何暴露的金属来说尤其重要。以前，介绍了模拟和检测静电放电的几种方法。现在，我们将讨论如何排除ESD故障。
ESD是一个具有挑战性的产品故障调试。造成这种情况的部分原因是放电的间歇性。为了帮助将电路中断与ESD联系起来，我使用了一个简单的ESD检测器电路，可以在事件发生时检测它们。
大多数设计人员最后都试图在遵从性测试实验室对ESD进行故障排除。缺点是在这种环境中进行故障排除既耗时又昂贵。这也大大推迟了产品的推出。将这个故障排除过程转移到您自己的工作台上不是很好吗?继续读下去!
即使是在受控的测试环境中进行故障排除，也很难准确地知道电路或系统的哪一部分受到了影响，也不清楚ESD电流实际经过的路径。对于大中型系统来说，这尤其是个问题。
图1。使用XFdtd模拟注入ESD电流到DDR RAM模块。(图片由Remcom Inc.提供)
如图1所示，根据最低阻抗的路径，ESD电流的路径可以有几个方向。最终，电流会回到地球，回到最初产生放电的人或物体那里。
使用HP547A跟踪ESD电流路径
不幸的是，不可能看到这些电流路径或推断哪些电子元件或有源设备可能受到影响，从而导致产品合规性故障。然而，在追踪放电路径方面工作良好的一种方法是将ESD模拟器中的低压脉冲注入产品或系统的故障点，然后使用类似HP 547A电流示踪器或简单的中型h场探头跟踪路径。
在20世纪70年代中期，惠普开发了一套三种手持探针:逻辑探针(HP 545A)，电流脉冲发生器(HP 546A)和电流示踪器[1]。这些后来被更新的HP 10525T逻辑探头和10526T脉冲发生器作为HP 5015T逻辑故障排除套件一起出售。据我所知，目前的曳光弹没有升级。电流脉冲器和电流示踪器的组合最初是为了定位互补金属氧化物半导体(CMOS)和高密度CMOS (HCMOS)电路中的短路或闭锁，电路板短路等。
参考原用户手册[2]:
HP 547A电流示踪器是一种手持式探头，可精确定位电气系统中的低阻抗故障。该探头感知由电路内部的脉冲电流或由外部刺激(如HP 546A或10526T逻辑脉冲器)提供的电流脉冲产生的磁场。通过点亮电流示踪器尖端附近的指示灯来指示电流脉冲的存在。探头灵敏度在1ma到1a范围内的调整是由指示器附近的灵敏度控制提供的．
电流示踪器(图2)可以接受4.5 VDC到18 VDC的功率，并带有小型手指操作的抓取夹，用于连接到被测电路上。我通常会切断连接器，并将两根电线连接到合适的香蕉插头上，因为抓取夹使用起来有点挑剔。一些使用过的探针不包括抓取器，但这可能不是一个很大的损失。
几年前，我在eBay上找到了一整套这样的设备，并想知道如何使用它们，特别是电流示踪器，在我的EMC咨询中跟踪来自ESD事件的破坏性电流，特别是对于具有多个电路板、电源和电缆的复杂系统。
图2。HP 547A电流示踪探头带有两个夹子，我将用香蕉插头替换。
我很快就有机会尝试这项技术。我的一个医疗产品客户因ESD合规故障而求助，该故障使他们忙了几个星期试图排除故障。该系统是一个台式站立式机电系统，有一个主电路板和电源，一个键盘和显示板，几个电磁驱动器，以及许多互连电缆。
在2kv到15kv的任何地方注入ESD会导致执行器在错误的时间点火。该系统在靠近前部的两个侧围板上特别敏感。
在做了大量的故障排除和应用潜在的修复后，我们已经接近了，但仍然不足以满足IEC 60601-2标准的新15kv要求。部分问题出在键盘和显示屏上，它们与外壳的连接很差。此外，许多系统电缆可能与此问题有关。
在绞尽脑汁(吃了一顿午饭)之后，我拿出电流示踪器，将其设置为1 A灵敏度，并将其连接到外部12 V电源。然后我们将系统翻转过来，向其中一个敏感区域注入500v的静电放电脉冲。当我的客户每隔几秒就施加一次重复脉冲时，我开始在键盘/显示板和电缆上进行探测(图3)。
图3。使用中的HP 547A电流示踪器。通过探测键盘/显示板上的不同电缆和区域，我们能够快速隔离ESD电流的主要路径。
灯的亮度表示注入ESD电流脉冲的相对振幅(和主导路径)。我们可以很容易地将ESD的路径隔离到几根电缆以及显示器和控制器板上。事实证明，ESD电流的大部分都穿过了控制螺线管的IC。现在我们可以尝试各种结合和屏蔽方法，以近乎实时地查看结果。
在正确地将键盘/显示器连接到机箱，将电缆重新布线到螺线管，并添加一个铁氧体扼流阀之间，我们能够实现15 kV的合规性。
还有其他更现代的电流示踪器可用，但似乎它们的探针尖端相当大，可能不适用于这种类型的应用。HP 547A具有非常小的尖端，足够敏感，可以检测低水平的ESD。我发现对于这种类型的应用程序，它是完美的，易于使用。
目前的示踪探针在10年前更为普遍，但我偶尔会在eBay或其他多余的网站上看到它们以50至100美元的价格出现。对于那些真正困难的ESD挑战，这可能是正确的工具，我计划把它放在我的故障排除工具包中。我写了一篇关于如何使用这些来排除[3]故障的文章。
用h场探头和示波器跟踪静电放电的路径
由于HP 547A电流示踪探头可能很难找到，一种同样简单的方法是使用示波器和小h场探头来跟踪电流的主要路径，加上它的所有分支。
在一种方法中，助手持有模拟器并将其反复触发到故障点之一，而另一种方法则跟踪主要注入电流。如果您的模拟器设置为每秒一次脉冲，那也可以工作，并且只需要一个人。一般来说，在测试期间，需要打开被测设备(EUT)以显示内部电路和系统电缆。图4显示了测试设置的框图。
图4。典型的测试设置注入ESD电流脉冲，并跟踪电流流动的路径。
这些路径通常包括系统电缆、PC板、键盘和显示器。通过将h场探头与电缆耦合或将探头扫过电路板，可以跟踪受控放电。如果电流脉冲穿过集成电路，或其他有源设备，这应该提供一个很好的线索，关于电路的部分，涉及到被测产品或系统的故障模式。
例如，让我们假设放电到EUT上的特定I/O连接器外壳导致ESD测试期间电路紊乱。我们希望将放电尖端连接到连接器接地外壳，以跟踪ESD电流所经过的路径。
为了说明这种技术，我们将使用演示电路板(图5和图6)，并使用短夹引线将模拟器接触放电尖端连接到I/O连接器外壳。为了本演示的目的，需要将电源连接器上的排泄线连接回测试台上的地面返回平面，以提供ESD电流的放电路径。最好的位置，这将是板通常连接到电源返回。
通常，您将测试整个系统的返回路径是电源线接地连接。这样就不需要在电路板接地回平面上加回线了。
对于便携式产品来说，情况就复杂了一些。你可能需要使用相当于“人工手”的东西来帮助每次ESD注射时释放电荷。或者，你可以用短线连接100k系列?电源连接器接地与接地回平面之间的电源电阻。
首先设置示波器为200毫伏每分，时基约为8纳司每分，并使用自动采集。将h场探头插入通道1，设置输入阻抗为50 ?你可能需要调整触发器控制稍微积极捕捉每一个脉冲。这些初始设置并不重要，可以在测试期间进行改进。
调整ESD模拟器，使其自动放电速率为每秒一个脉冲(或让助手按需应用脉冲)。然后，扫描板周围的h场探头，通过观察相对脉冲振幅来确定路径。测试时，电路板不一定需要通电，但如果是线路供电，则应插入电源以使ESD电流返回地面。图5和6显示了一般的设置和跟踪技术。
由于进入EUT的放电会产生强烈的瞬态电场和磁场，因此确保探头设置不会接收到放电产生的辐射场是非常重要的。探测器很容易将任何辐射能量与ESD路径上的电流混淆，从而导致您得到错误的解决方案。
我使用中等大小的h场探头和最小的100到500 V ESD注入来最小化这种耦合。始终在被测系统附近的空气中使用探针进行“空”测试，以评估辐射场拾取量(如果有的话)，并将该水平与在PC板或系统周围测量的水平进行比较。你可能想尝试一个小直径的h场探头，以降低对辐射场的敏感性。
图5。整体测试设置，显示示波器，h场探头连接到通道1，测试板和ESD模拟器设置为500伏。
现在，在电路板和系统电缆周围探测，以发现注入电流的主要路径或路径。测量结果将显示振铃，但重要的是观察脉冲的相对幅度，因为这将表明主要电流路径。
图6。将ESD模拟器调整到安全电压(如500v)，并通过触点放电尖端连接到被测演示板。h场探头在板周围扫描，同时观察最高振幅电压峰值。
图7显示了来自h场探头的典型振铃脉冲。振铃很大程度上是由于连接到演示板的长夹引线的电感与板到面电容谐振，这是没有后果的，因为重要的因素是脉冲的一般振幅。
图7。一个典型的振铃脉冲被耦合到h场探头，同时跟踪ESD电流的路径。
一旦确定了主要ESD电流的路径或路径，就可以开始缓解。这通常涉及阻塞或转移ESD电流。我们要避免静电电流通过电路板。大多数线路操作的产品是通过安全线路连接到地面的，所以通常最好尝试将ESD电流转移到机箱或绿色安全线，通过更好的连接器连接和接地技术连接到机箱。
这种导流路径应该发生在任何电子电路的“上游”，通常位于I/O和电源连接器，或ESD测试的出口点。对于便携式设备，应将静电放电引向单板I/O和电源连接器的数字回流平面。
另一种技术是在任何携带主要ESD电流的电缆上引入阻塞阻抗，如铁氧体扼流圈。此外，对于数字线路，串联电阻(470至1000欧姆)和并联瞬态保护的数字返回平面或底盘接地的组合效果很好。它应该位于尽可能靠近I/O连接器的地方。所有I/O和电源连接器接地外壳应通过短连接连接到机箱或数字接地回接平面。通常，阻塞和转向技术的组合足以减轻ESD合规性故障。当然，在一开始就将这些缓解措施设计到产品或系统中会更好!
如果没有强制故障的能力，ESD通常很难进行故障排除。这可以使用任何简单的ESD发生器来完成，或者更好的是使用ESD模拟器。这些可以购买旧的或新的，但预计要花2万到3万美元买一个新的。一个使用过的Keytek MiniZap，或其他ESD模拟器，将是一个很好的补充到您的工具包，如果你能找到一个与所有配件。
处理静电防护故障的关键是跟踪静电电流的路径。这可以通过使用HP 457A电流示踪探头轻松完成，或者更好的是，只需使用一个中型h场探头并使用示波器跟踪路径。
参考文献
