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静电放电(ESD)是对便携式和其他电子产品造成严重破坏的讨厌的东西之一。制造商必须内置保护装置，防止来自这些高压脉冲放电的电流。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都特别重要。以前，我描述了模拟和检测ESD的几种方法。现在，我们将讨论如何排除ESD故障。
ESD是一种具有挑战性的产品故障。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关联起来，我使用您可以构建的一个简单的ESD检测器电路，在发生事件时检测事件。
大多数设计人员最后都在遵从性测试实验室尝试解决ESD故障。缺点是在这种环境中进行故障排除既耗时又昂贵。这也大大延迟了产品的推出。把这个故障排除过程移到您自己的工作台上不是很好吗?继续读下去!
即使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模拟注入到DDR RAM模块上的ESD电流。(图片由Remcom Inc.提供)。
从图1中可以观察到，基于最低阻抗的路径，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。
用HP547A追踪ESD电流路径
不幸的是，不可能看到这些电流通路或推断哪些电子元件或有源设备可能受到影响，导致产品遵从性失效。然而，在追踪放电路径方面，有一种行之有效的方法是将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HP 547A电流跟踪器或简单的中型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头:逻辑探头(HP 545A)、电流脉冲发生器(HP 546A)和电流示踪器[1]。这些后来被更新的惠普10525T逻辑探头和10526T脉冲器作为惠普5015T逻辑故障排除套件一起出售。据我所知，目前的追踪器没有升级。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，电路板短路等等。
从最初的用户手册[2]:
HP 547A电流示踪器是一种手持式探头，可以精确定位电气系统中的低阻抗故障。探头感应由电路内部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是否存在电流脉冲。探头灵敏度在1ma到1a范围内的调整由指示灯附近的灵敏度控制提供．
电流示踪器(图2)可以接受从4.5 VDC到18 VDC的电源，并带有小的手指操作抓手夹，用于连接到被测电路。我通常剪掉连接器，把两根电线连接到合适的香蕉插头上，因为抓夹使用起来有点挑剔。一些使用的探针不包括捕获器，但这可能不是一个很大的损失。
几年前，我在eBay上找到了一套完整的这些工具，并想知道如何在EMC咨询中使用它们，特别是电流跟踪器，以跟踪来自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。惠普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种技术。我的一个医疗产品客户求助于一个ESD遵从性故障，这使他们忙了几个星期试图排除故障。该系统是一个台式机电系统，有一个主电路板和电源，一个键盘和显示板，几个电磁执行器，和许多相互连接的电缆。
在2kv到15kv的任何地方注入ESD，都会导致执行器在错误的时间着火。该系统在靠近前面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修复后，我们接近了，但仍然不足以满足IEC 60601-2标准的新的15kv要求。部分问题是键盘和显示器与外壳连接不良。此外，许多系统电缆可能与该问题有关。
经过一番思前思后(和一些午餐)，我拿出了电流示踪器，将其设置为1a的灵敏度，并连接到一个外部12v电源。然后我们把系统翻转过来，在其中一个敏感区域注入一个500 V的ESD脉冲。由于我的客户端每隔几秒就应用重复脉冲，我开始在键盘/显示板和电缆上探测(图3)。
图3。HP 547A电流示踪器正在使用中。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的路径隔离到仅仅几根电缆以及显示器和控制器板。事实证明，ESD电流的大部分是通过控制螺线管的IC。现在我们可以尝试各种键合和屏蔽方法，以接近实时地看到结果。
通过将键盘/显示器正确地连接到机箱，将电缆重新布线到螺线管，并添加一个铁氧体扼流圈，我们能够达到15kv的合规。
还有其他更现代的电流跟踪器可用，但似乎它们的探头提示相当大，可能不适用于这种类型的应用程序。HP 547A有一个非常小的尖端，足够敏感，可以检测到低水平的ESD。我发现对于这种类型的应用程序来说，它非常完美且易于使用。
目前的追踪探头在10年前更为普遍，但我偶尔会在eBay或其他多余的设备上看到它们以50至100美元的价格弹出。对于那些真正困难的ESD挑战，这可能是正确的工具，我计划将它保留在我的故障排除工具包中。我写了一篇关于如何使用这些工具对[3]进行故障排除的文章。
用h场探头和示波器跟踪静电放电的路径
因为HP 547A电流示踪探头可能很难找到，一个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，一个助手持有模拟器并反复触发它进入其中一个故障点，而另一个助手跟踪主要注入电流。如果你的模拟器有每秒一次脉冲的设置，那也可以工作，只需要一个人。通常，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。通过将探头与电缆耦合或将探头绕线路板扫描，可以用h场探头跟踪受控放电。如果电流脉冲穿过集成电路或其他有源器件，这应该提供一个很好的线索，即与被测产品或系统的故障模式有关的电路部分。
例如，让我们假设放电到EUT上的一个特定I/O连接器外壳会在ESD测试期间导致电路中断。我们要把放电尖端连接到这个连接器接地壳，以跟踪ESD电流的路径。
为了说明这一技术，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接地返回平面，为ESD电流提供放电路径。最好的位置应该是电路板正常连接到电源返回器的地方。
通常，您将测试整个系统，返回路径是电源线接地连接。在这种情况下，就不需要在电路板接地回平面上增加回线了。
对于便携产品来说，情况就有点复杂了。你可能需要使用相当于“人工手”的装置，以帮助每次ESD注射释放电荷。或者，您可以将短导线与系列100k ?电源连接器接地与接地回平面之间的电源电阻。
开始时，设置示波器为200 mV / division，时间基约为8 ns / division，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 ?你可能需要调整扳机控制略积极捕捉每个脉冲。这些初始设置并不重要，可以在测试期间进行改进。
调整ESD模拟器为自动一脉冲每秒放电速率(或有一个助手应用脉冲的需求)。然后，扫描板周围的h场探头，通过观察相对脉冲幅值确定路径或路径。在这个测试中，单板不一定需要供电，但如果是线路供电，则应该插入电源以允许ESD电流返回地面。图5和图6显示了一般设置和跟踪技术。
由于进入EUT的放电产生了强烈的瞬变电场和磁场，因此确保探头设置不接收放电产生的辐射场是非常重要的。这是非常容易混淆的任何辐射能量由探头拾取作为ESD路径上的电流，它可以使您得到一个错误的解决方案。
我使用中等大小的h场探头和最小的100到500 V ESD注入来减少这种耦合。总是在被测系统附近的空气中使用探头进行“空”测试，以评估辐射场拾取量(如果有的话)，并将该水平与PC板或系统周围的测量值进行比较。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。总体测试设置，显示示波器、连接到通道1的h场探头、测试板和设置为500伏的ESD模拟器。
现在，探头周围的板和系统电缆，以发现主要路径或路径注入电流流动。测量结果将显示振铃，但重要的是要观察脉冲的相对振幅，因为这将表明主要电流路径。
图6。ESD模拟器被调整到一个安全电压，如500伏，并通过接触放电尖端连接到测试演示板。h场探头在观察最高振幅电压峰值时，在板周围扫描。
图7显示了来自h场探头的典型振铃脉冲。振铃在很大程度上是由于连接到演示板上的长夹引线的电感与板到面电容共振，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ESD主要电流的路径或路径，就可以开始缓解。这通常包括阻挡或转移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电线连接到接地的，所以通常最好尝试将ESD电流转移到机箱或绿线安全，通过更好的连接器连接和接地技术到机箱接地。
这种导流路径应该发生在任何电子电路的“上游”，通常正好在I/O和电源连接器，或者ESD测试的出口点。对于便携式设备，应将ESD电流引流到单板I/O和电源连接器处的数字回流平面。
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到1000欧姆)和对数字返回平面或底盘接地的并行瞬态保护的组合效果很好。这应该位于尽可能靠近I/O连接器的位置。所有I/O和电源连接器接地壳应通过短连接连接到机箱或数字接地返回平面。通常，阻断和转移技术的组合足以减轻ESD遵从性故障。当然，最好在一开始就将这些缓解措施设计到产品或系统中!
如果没有强制发生故障的能力，ESD通常很难进行故障排除。这可以使用任何简单的ESD生成器完成，或者使用ESD模拟器更好。可以买二手的，也可以买新的，但买一个新的要花2万到3万美元。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套件，如果您可以找到一个所有的附件。
静电放电的故障诊断就是跟踪静电放电电流的路径。这可以很容易地通过使用HP 457A电流示踪探头，或更好的，只需使用一个中型h场探头和使用示波器跟踪路径。