a传输线对静电放电防护器件性能测试的影响研究

1、：CEME-2017-A03文章传输线对静电放电防护器件性能测试的影响研究1,静电与电磁防护2,，石家庄 050003；2.1,1(1. 军械理工大学 信息学院,430063）摘 要: 为了研究静电放电（ESD）防护器件对快上升沿电磁脉冲的瞬态响应，建立了基于 IEC61000-4-2金属模型（Human-Metal m, HMM）ESD 和传输线脉冲（Transmisline pulse, TLP）模型的试验测试系统，对某限压型静电放电防护器件进行快沿电磁脉冲注入试验，获取了器件的瞬态波形、箝位电压和箝位时间，研究了传输线长度对的影响并进行了理论分析。研究结果表明：在传输线脉冲测试中，由于脉

2、冲源延迟线和测试系统传输线形成的反射波延迟时间大于入射波的脉宽，反射波不会叠加在入射波上；而 HMM ESD 注入试验中，脉冲发生器为电阻电容（RC）放电网络，反射波影响了测试结果。因此，在测试 ESD 防护器件瞬态响应和防护性能时，建议采用基于传输线脉冲波形的测试方法。: 静电放电；防护器件；金属模型；传输线脉冲；箝位电压号：O441.4文献标志码：A静电放电电磁脉冲（ESD EMP）具有亚纳秒级上升沿和很短的持续时间，通过传导注入和电磁辐射的形式进入电子设备，可以使半导体器件的电性能降级或损伤，还可能干扰电路系统正常工作，是电子设备主要的近场危害源1-2。在电源线路、通信线路或电子产品等静

3、电放电路径加装静电放电防护器件，可以有效提高电子设备的 ESD 抗扰度3-5。为了研究静电放电防护器件对快上升沿电磁脉冲的瞬态响应和防护特性，通常采用基于电阻电容（RC）放电网络的金属模型静电放电注入测试方法6-8和 50 传输线脉冲注入测试方法9-11。在 HMM ESD 测试和 TLP 测试中，要获得瞬态响应波形，均需要的测试夹具将被测器件（device undertest，DUT）接入测试电述两种测试方法均是通过 50 同轴传输线将脉冲源产生的快沿电磁脉冲注入到 DUT 的被测管脚，而利用传输线脉冲信号时，需要考虑阻抗不匹配导致的电磁波反射与传输线长度。目前，有关静电放电防护器件防护性能

4、测试的文献，没有传输线长度对电磁波传输影响的研究。因此，构建了基于上述测试方法的测试系统，即静电放电注入试验系统和脉冲注入试验系统，给出了试验系统的输出波形，并以限压型 NUP 2105L 静电放电防护器件为试验对象，开展了静电放电防护器件快沿电磁脉冲注入试验，研究了传输线长度对的影响并进行了理论分析。试验配置和测试方法静电放电注入试验系统与测试方法静电放电注入试验系统，是基于 IEC61000-4-2 HMM 模型构建。该系统由静电放电枪、50 传输线测试系统和电磁室等组成，图 1 为试验系统配置框图。其中测试系统包括 BNC 转接头、50 同轴电缆、双端口的 50 微带线测试夹具、电流探头

5、、30dB 50 衰减器以及高性能数字示波器。由于 HMM ESD 测试波形的上升沿很陡、小于 1ns，静电放电过程会产生非常强的电磁辐射，形成频谱基金项目: 国家自然科学基金面上项目(60971042)作者简介:通信作者:（1969), 女，生导师，从事静电理论与防护及瞬态场测试研究；。（1996）, 女，本科，从事通信工程研究；14从直流到吉的 ESD EMP12-13，因此，在试验中为尽可能地减少静电放电辐射场的干扰，将测试系统和被测器件置于电磁室内；同时为保障测试系统阻抗匹配，对测试设备进行了选型。电流探头采用 Tek CT-1（测试带宽为 25kHz1GHz，特性阻抗为 50）；示波

6、器采用 Tek TDS7154B（采样频率为 20GHz，测试带宽 1.5GHz）；测试夹具采用基于微带设计原理和电磁场理论研制的微带线测试夹具（测试频率范围：DC1.5GHz；输入输出阻抗：50）14,15；静电放电枪为三基公司生产的NS61000-2A。对 DUT 进行静电放电注入试验前（即测试系统未接入 DUT），测试了静电放电枪输出电压为 2kV、4 kV、6kV 和 8 kV 时，测试夹具输出端的电压波形。图 2 为静电放电枪输出电压 2kV 时，测试夹具输出端的电压波形。经过对比分析，上述波形符合 IEC61000-42 规定的金属模型静电放电电流波形。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图 1 HMM ESD 系统配置框图图 2 ESD 枪输出电压 2kV、未接入 DUT 时测试夹具输出端的电压测试方法如下：参考图 1 将被测静电放电防护器件（即 DUT）的两个测试管脚接入 50 的微带线上。试验时，静电放电枪对电磁室处 BNC 连接头放电，经由 50 的同轴电缆线和测试夹具

8、、静电放电脉冲就施加到了阻抗为 50 的微带线上，即加到了静电放电防护器件被测管脚的两端，而示波器可以同步接收到被测器件两端的瞬态响应电压；同时用电流探头 Tek CT-1 可检测流过被测器件的静电放电电流。1.2脉冲注入试验系统与测试方法脉冲注入试验系统，基于 TLP 测试原理构建。该系统试验配置与图 1 的区别是，将图 1 中的静电放电枪更换为脉冲发生器。该测试系统的其余设备配置和测试方法与 1.1 节介绍的相同。需要的是，为了研究静电放电防护器件在快沿电磁脉冲作用下的瞬态响应，对防护器件做出评价，上述脉冲发生器应能够产生上升时间1ns 的短脉冲。因此，本文中使用的脉冲发生器为NOISEK

9、EN 公司生产的 INS-4040，输出脉冲前沿上升时间小于 1ns，50 匹配阻抗时输出脉冲幅值为 0V4kV，矩形脉冲宽度为 10 ns、50ns1000ns（每步 50 ns 可调）。对 DUT 进行脉冲注入试验前，测试了方波源输出电压为 100V、4 00V、600V 和 800V，脉冲宽度 100ns 时，测试夹具输出端的电压波形。图 3 和图4 分别是示波器分辨率为 40ns 和 10ns源输出脉冲的参数为电压 100V 时，测试夹具输出端的电压波形。对比图 4 可知，该脉冲注入试验系统能够产生上升时间1ns 的脉冲。文中所述的测试系统，在测试过程中，由于整个测试回路引入了静电放电

10、防护器件，即被测器件，导致了测试系统阻抗不匹配，在被测器件所在处传输线出现了不连续点，造成了电磁波反射。因此，在测试中要研究连接脉冲发生器（静电放电枪/发生器）与测试夹具间同轴电缆的传输线长度对的影响。文中所研究或所阐述的传输线长度均特指脉冲发生器与测试夹具间的同轴电缆长度。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）图 3 未接入 DUT 时测试夹具输出端

11、的电压（40ns/div）图 4 未接入 DUT 时测试夹具输出端的电压（10ns/div）2 试验结果与分析2.1脉冲注入试验结果与分析将 DUT（限压型 NUP 2105L 静电放电防护器件）安装在 1.2 节所述的脉冲注入试验系统中，选用2.42m、50 同轴传输线连接发生器和测试夹具，发生器设置输出电压 100V、脉冲宽度 100ns，对DUT 进行脉冲注入试验，图 5 和图 6 为示波器分辨率为 10ns 和 40ns 被测器件两端瞬态响应电压波形。Fig.5 voltage waveform of NUP 2105L （10ns/div）Fig.6 voltage waveform

12、 of NUP 2105L（40ns/div）图 5 NUP 2105L 两端的电压波形（10ns/div）图 6 NUP 2105L 两端的电压波形（40ns/div）由图 5 可以得到 NUP 2105L 的箝位电压、箝位时间和过冲电压20。但是。当示波器分辨率为 40ns 时，由图 6 可观察到被测器件两端的电压波形在注入脉宽 100ns 结束后，出现了一个电压约为 0V、时间约 31.6ns的延迟，（备注：因注入脉宽为 100ns，故对应的延迟时间为（31.6+100）ns，记为下文表 1 中的试验值）；之后又出现了脉宽 100ns、电压幅值与箝位电压值相当的反射电压波形。此后，31.

13、6ns 延迟和反射电压波形依次顺序出现，直至电压衰减至 0V。为了研究延迟时间的影响，做了以下两组试验。发生器输出电压分别为 100V 和 600V、脉冲宽度 100ns 时，改变发生器和测试夹具之间的传输线长度为 0.33m、1.34m、2.42m 和 6.46m，对 NUP 2105L做脉冲注入试验，得到器件的瞬态响应波形，试验数据如表 1 所示。分析表 1 的试验数据，可以得到如下结论：（1发生器输出电压相同时，改变发生器和测试夹具之间的传输线长度，DUT 的箝位电压、箝位时间和过冲电压没有明显变化，但延迟时间随着传输线长度的增大而增大；（2）发生器和测试夹具之间的传输线长度相同，改变发

14、生器输出电压相同时，DUT 的箝位电压、箝位时间和过冲电压随着注入电压的增大而增大，但延迟时间随着传输线长度的增大而增没有明显变化。16上述试验结果表明，传输线长度主要影响了 DUT 瞬态响应波形中反射波的延迟时间。延迟时间，可以通过理论计算获得。公式（1）和公式（2）分别为传输线电磁波的速度和延迟时间计算公式：cv (1)rLt (2)dc()r其中r 为介质的相对介电常数测试夹具中50 微带线的介质基材是聚四氟乙烯，当频率小于2GHz 时，聚四氟乙烯的相对介电常数约为 2.1。发生电磁波反射时，电磁波两次经过传输线，因此，长度为 0.33m、1.34m、 2.42m 和 6.46m 的传输

15、线，实际对应的延迟线长度应为 0.66m、2.68m、4.84m 和 12.92m。根据公式（1）和公式（2），可计算出延迟线对应的延迟时间分别为：3.19ns、12.95ns、23.38ns 和 62.41ns，该计算结果记为下文表 1 中的理论值。对比计算的理论值与试验结果可知，实验测得的延迟时间比理论值均大 109ns 左右，如表 1 所示。表 1 实验结果Table 1 Results of experiments延迟时间/ns箝位电压/V箝位时间/ns过冲电压/V传输线试验值试验值-理论值长度/m理论值注入电注入电注入电压注入电压注入电压注入电压注入电压注入电压注入电压注入电压压/1

16、00V压/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发生器

17、的基本工作原理，可简单阐述“109ns”产生的原因。根据发生器通过改变连接高压电信号，其长度为电磁波源与面板上脉宽选择模块接口的传输线（亦称延迟线）长度，以产生不同脉宽的在脉宽一半时间内传输的距离。当脉宽为 100ns 时，根据公式（2）、通过计算可知，源源用2于产生脉宽的传输线长度约为 10.35m。在进行反射波延迟时间计算时，传输距离也应包含个传输线长度（10.35m），即这部分传输线造成了 100ns 的延迟。根据上述分析可知，剩余 9ns 的延迟时间应由连接发生器脉宽选择模块接口与脉冲输出端口的同轴线产生。通过上述分析可知，由脉冲源延迟线和测试系统传输线形成的反射波延迟时间大于入射波的

18、脉宽，反射波不会叠加在入射波上，只要测试波形的入射波持续时间足够长，就可以得到被测器件的箝位电压、箝位时间和过冲电压。因此，测试系统传输线长度在满足测试连接要求下尽量缩至最短即可。2.2静电放电注入试验结果与分析将 NUP 2105L 静电放电防护器件安装在 1.1 节所述的静电放电注入试验系统中，如图 1 所示，选用 1.0 m和 8.0 m 的 50 同轴传输线连接静电放电枪和测试夹具，静电放电枪设置输出电压 2000V，进行静电放电注入试验，被测器件两端瞬态响应电压波形如图 7 所示。由图 7 可以看出区域、即是传输线长度为 1m、178m 时，反射波与被测器件时域响应波形进行叠加的位置

19、。基于电磁波反射原理、利用式公式（1）和公式（2）并结合静电放电枪的工作原理，可以解释上述现象。静电放电注入试验系统，基于 IEC61000-4-2 标准规定的 HMM 模型来构建，其中的脉冲发生器为采用集数设计、RC 放电网络的静电放电枪。不同于发生器，静电放电枪的没有较长的传输线，只是在测试夹具与静电放电枪输出端之间引入了一段 50 传输线（文中所述的 1.0 m 同轴线和 8.0 m 同轴线），反射波的延迟时间主要由这段 50 传输线引起。利用式（1）和式（2），通过计算可以得到，上述两种情况下反射波的延迟时间分别为：t1=9.66ns，t2=77.29ns。对比图 3 中的区域、，上述

20、理论计算值与试验值相符。Fig.7 Voltage waveform of NUP 2105der HMM ESD test（2kV）图 7 2kV-金属模型静电放电注入试验中 NUP 2105L 两端的电压波形依据 IEC61000-4-2，可知 HMM 放电电流的能量主要集中70ns，兼顾传输线阻抗不匹配时能量的损耗，又要保障前 70ns 静电放电防护器件时域响应波形不失真，为获得被测器件的瞬态响应波形、静电放电注入试验中传输线的长度 8m 较为合适。3 结论1）基于传输线脉冲方法测试静电放电防护器件防护性能时，由于发生器延迟线和测试系统传输线形成的反射波延迟时间大于入射波的脉宽，反射波不

21、会叠加在入射波上，只要测试波形的入射波持续时间足够长，就可以得到被测器件的限幅电压、限幅响应时间和过冲电压。因此，在传输线脉冲注入试验中，对测试系统传输线长度没有要求，但考虑传输线阻抗不匹配时能量的损伤，传输线长度在满足测试连接要求下尽量缩至最短即可。2） 在基于 IEC61000-4-2 的 HMM ESD 测试中，因阻抗不匹配产生的反射波对静电放电防护器件时域瞬态响应波形了影响，而传输线的长度决定了反射波在防护器件时域响应波形中的位置。因此，考虑HMM ESD 的能量主要集中70ns，兼顾传输线阻抗不匹配时能量的损伤，又要保障防护器件对静电放电前 70ns 时域响应波形不失真，静电放电注入

22、试验中传输线的长度 8m 较为合适。上述研究结果对静电放电防护器件性能测试具有很强实际指导意义。参考文献：1合, 朱长青, 等.静电放电及危害防护M:邮电大学, 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,. 电磁环境效应及其发展趋势J.国防科技, 2008, 29(1):1-

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