Simulační pistole ESD: Aplikace a technický výzkum v testování odolnosti elektrických a elektronických zařízení proti ESD

Abstraktní
Díky digitálním a inteligentním technologiím se elektrická a elektronická zařízení rychle vyvíjejí směrem k vysoké integraci a nízké spotřebě energie a jejich citlivost na rušení elektrostatickým výbojem (ESD) se výrazně zvýšila. ESD, jakožto běžný zdroj elektromagnetického rušení pro elektronická zařízení, může způsobit selhání zařízení, ztrátu dat nebo dokonce poškození hardwaru. Testování imunity vůči ESD se proto stalo klíčovým článkem v ověřování spolehlivosti produktů. Tento článek se zabývá... LISUN ESD61000-2 Simulátorové zbraně ESD jako objekt výzkumu systematicky vysvětluje jeho technickou architekturu, základní funkce a shodu s normami a hloubkově analyzuje technický princip zařízení při přesné reprodukci ESD pulzů a poskytování standardizovaných testovacích podmínek. V kombinaci se skutečnými testovacími daty a scénáři aplikací v různých odvětvích je ověřena přesnost a spolehlivost zařízení při hodnocení imunity elektrických a elektronických zařízení vůči ESD. Výsledky výzkumu ukazují, že LISUN ESD61000-2 Simulační ESD pistole splňují požadavky mezinárodních i domácích norem, jako je GB/T 17626.2 (IEC/EN 61000-4-2), a poskytují profesionální testovací řešení pro výzkum a vývoj elektronických zařízení, kontrolu kvality ve výrobě a certifikaci třetími stranami. Mají velký význam pro zajištění stabilního provozu zařízení v situacích s ESD rušením.

1. Úvod
Elektrostatický výboj (ESD) je v přírodě běžný jev elektromagnetického rušení. Když se nabitý objekt dotkne nebo přiblíží k elektronickému zařízení, okamžitě uvolní velké množství náboje a vytvoří pulzní proud (s maximální hodnotou až desítek ampérů a dobou náběhu pouze 0.6–1 ns), který způsobí elektromagnetický dopad na vnitřní čipy a obvody zařízení. Podle statistik v oboru je přibližně 25 % poruch elektronických zařízení způsobeno ESD. Mezi nimi jsou oblasti, jako je spotřební elektronika a automobilová elektronika, vystaveny vyššímu riziku rušení ESD kvůli vysoké integraci zařízení. Například poruchy, jako je selhání dotyku obrazovek chytrých telefonů a havárie navigačních systémů ve vozidlech, většinou souvisejí s okamžitými poruchami obvodů způsobenými ESD.

Pro standardizaci procesu testování odolnosti vůči elektrostatickým výbojům (ESD) vydala Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) IEC 61000-4-2 standard a Čína současně formulovala standard GB/T 17626.2, který jasně vyžaduje použití speciálního vybavení k simulaci scénářů ESD různých úrovní za účelem vyhodnocení odolnosti zařízení. Tradiční zařízení pro testování ESD mají problémy, jako jsou nestabilní parametry výbojových impulzů, režim jednoho testování a špatná kompatibilita, což ztěžuje splnění potřeb testování různých produktů. ESD61000-2 série ESD simulátorových zbraní vyvinutých společností LISUN Jsou navrženy pro potřeby testování odolnosti proti elektrostatickému výboji (ESD) elektrických a elektronických zařízení. Díky vysoce přesným modulům pro měření výbojového odporu a kapacity (RC) a inteligentní řídicí technologii dokáží přesně reprodukovat různé pulzní scénáře ESD, jako je výboj vzduchem a kontaktní výboj, s rozsahem výstupního napětí 0.1–30 kV, a přizpůsobují se tak testovacím potřebám spotřební elektroniky, automobilové elektroniky, průmyslového řízení a dalších oblastí. Tento článek komplexně analyzuje technickou hodnotu a hodnotu průmyslového využití... LISUN ESD61000-2 Simulační ESD pistole ze čtyř dimenzí: technický princip zařízení, výkon klíčových parametrů, aplikační scénáře a shoda s normami.

2. Technická architektura a principy klíčových funkcí LISUN ESD61000-2 Simulátorové zbraně ESD
2.1 Návrh technické architektury
Jedno LISUN ESD61000-2 Simulační ESD pistole využívají koncept „modulárního + integrovaného“ designu, který je rozdělen do pěti základních systémů jako celku. Každý systém spolupracuje na dosažení přesného generování ESD impulsů a inteligentního řízení testovacího procesu:
• Systém pro generování a regulaci vysokého napětí: Obsahuje vysokofrekvenční vysokonapěťový výkonový modul a obvod zpětné vazby napětí, který umožňuje plynulou regulaci napětí 0.1–20 kV (ESD61000-2) a 0.1–30 kV (ESD61000-2A/2C), s přesností napětí řízenou v rozmezí ±5 %. Prostřednictvím mechanismu zpětné vazby s uzavřenou smyčkou tento systém v reálném čase monitoruje výstupní napětí a dynamicky jej koriguje, čímž se zabraňuje odchylkám napětí způsobeným kolísáním elektrické sítě nebo změnami zátěže a zajišťuje se stabilita energie ESD.
• Modul vybíjecího odporu a kapacity (RC): Jakožto klíčová součástka pro simulaci pulzních průběhů ESD ESD61000-2 je vybaven standardním modulem 330Ω/150pF (splňujícím požadavky IEC 61000-4-2 standard), zatímco ESD61000-2A/2C nabízí čtyři vyměnitelné moduly, například 150pF/330Ω a 150pF/2000Ω. Parametry RC obvodu lze přepínat podle zkušebních norem (jako je GB/T 17626.2 pro všeobecnou elektroniku a GB/T 19951 pro automobilovou elektroniku) pro reprodukci ESD pulzů v různých scénářích. Například 330Ω/150pF se používá k simulaci ESD lidského těla a 2000Ω/150pF se používá k simulaci ESD pláště zařízení.
• Výbojová elektroda a spouštěcí systém: Je vybaven špičatou elektrodou (pro kontaktní výboj) a zaoblenou elektrodou (pro vzduchový výboj). ESD61000-2Přístroj C je navíc vybaven velkou zaoblenou elektrodou o průměru 30 mm, která se přizpůsobí potřebám vybíjení různých testovaných objektů: kontaktní výboj je vhodný pro vodivé skořepiny nebo kovové povrchy (například kovový střední rám smartphonu) a vzduchový výboj je vhodný pro izolační povrchy (například plastové skořepiny). Režim spouštění podporuje manuální (jednorázový výboj) a automatický (kontinuální výboj s frekvencí 0.05–99.99 s/výboj), což splňuje dvojí potřeby dávkového testování a přesného testování v jednom bodě.
• Systém řízení a záznamu dat: Je vybaven LCD displejem s podporou čínštiny a angličtiny a podporuje několik testovacích funkcí, jako je například jednotlivý test, test počítání (1–9999 krát), test úrovně IEC (automatické přepínání mezi úrovněmi 1–4) a programovací režim (nastavitelné napětí, časy a intervaly). Zařízení dokáže v reálném čase zaznamenávat data, jako je počet výbojů, hodnota napětí a poruchový stav, a po dokončení testu generovat standardizovanou zprávu, což usnadňuje sledovatelnost a analýzu dat.
• Bezpečnostní ochranný systém: Integruje ochranu proti nadproudu vysokého napětí, ochranu proti úniku a tlačítko nouzového zastavení. Pokud má zařízení abnormální napětí nebo únik, automaticky se vypne napájení vysokým napětím; tělo zařízení je obaleno izolačním materiálem a v oblasti výbojové elektrody jsou umístěny bezpečnostní výstražné značky, které zabraňují obsluze v náhodném dotyku součástí vysokého napětí a zajišťují bezpečnost testovacího procesu.

2.2 Princip základní funkce: Přesná reprodukce ESD impulsů
Jádrem testování imunity proti ESD je simulace průběhu pulzního proudu během reálných procesů ESD. LISUN ESD61000-2 Realizuje generování pulzních průběhů splňujících standardní požadavky pomocí technologie „RC nabíjení a vybíjení + kalibrace průběhů“. Konkrétní princip je následující:
• Fáze nabíjení: Vysokonapěťový zdroj nabíjí kondenzátor pro ukládání energie (například 150 pF) přes omezovací rezistor, dokud napětí kondenzátoru nedosáhne nastavené hodnoty (například ±8 kV). Proces nabíjení je monitorován obvodem zpětné vazby napětí, aby se zajistilo, že odchylka mezi napětím kondenzátoru a nastavenou hodnotou nepřesáhne ±5 %.
• Fáze vybíjení: Spouštěcí signál spustí vybíjecí spínač a kondenzátor pro ukládání energie se rychle vybije přes vybíjecí rezistor (například 330 Ω) a elektrodu, čímž vznikne okamžitý pulzní proud. Doba náběhu proudu je řízena v rozmezí 0.6–1 ns (což splňuje požadavky IEC 61000-4-2 standard) a špičkový proud se mění s napětím (například špičkový proud je asi 29.4 A při 8 kV).
• Kalibrace průběhu: Před opuštěním továrny je zařízení podrobeno kalibraci CNAS třetí stranou (s využitím kalibrační sady ESD-CALA) za účelem kalibrace průběhů pulzního proudu (první špičkový proud, proud při 30 ns/60 ns a čas náběžné hrany) při různých napětích, čímž je zajištěno, že parametry průběhu splňují standardní požadavky. Například při vybíjení kladným napětím 8 kV by měl první špičkový proud dosáhnout 29.4 A ±10 %, proud při 30 ns by měl být udržován na 16.2 A ±15 % a proud při 60 ns by měl být stabilizován na 9.3 A ±20 %, aby byla zajištěna srovnatelnost a opakovatelnost výsledků testů.

3. Parametrický výkon a podpůrná řešení LISUN ESD61000-2 Simulátorové zbraně ESD
3.1 Porovnání základních parametrů a kalibrační data
Jedno LISUN ESD61000-2 Série zahrnuje tři modely: ESD61000-2, ESD61000-2A, a ESD61000-2C. Každý model se liší rozsahem napětí, RC modulem a platnými normami a lze jej přizpůsobit testovacím potřebám různých odvětví. Následující tabulky ukazují srovnání základních parametrů této řady modelů a kalibrační data ESD61000-2:
Tabulka 1 Porovnání klíčových parametrů LISUN ESD61000-2 Série

Tabulka 2 Kalibrační data LISUN ESD61000-2 Simulační ESD zbraně (zpráva třetí strany CNAS)

Z kalibračních dat je patrné, že parametry pulzního proudu ESD61000-2 při různých napětích a polaritách všechny splňují požadavky normy GB/T 17626.2. Odchylka prvního špičkového proudu je menší než ±5 % a doba náběžné hrany je stabilní při 0.89–0.97 ns, což dokazuje, že je schopen přesně reprodukovat ESD pulzy.

3.2 Podpora testovacích řešení
Aby bylo zajištěno, že testovací prostředí splňuje standardní požadavky, LISUN poskytuje tři typy podpůrného vybavení, které spolupracuje s ESD61000-2 Řada simulačních pistolí ESD pro vytvoření kompletního systému testování odolnosti proti elektrostatickým výbojům:
• ESD-DESK testovací stůl ESD: Je navržen v souladu s požadavky normy GB/T 17626.2 a obsahuje testovací stůl o rozměrech 1600 × 800 × 800 mm, referenční kovovou zemnící desku (2800 × 1800 mm), horizontální/vertikální spojovací desky (simulující kovové součásti kolem zařízení) a izolační těsnění (bránící uzemnění vzorku). Dokáže simulovat prostředí uzemnění a elektromagnetický vazební efekt v reálných situacích a je vhodný pro testování běžných elektronických zařízení, jako jsou chytré telefony, počítače a routery.
• Kalibrační sada pro ESD pistole ESD-CALA: Používá se pro pravidelnou kalibraci parametrů pulzního průběhu simulačních ESD pistolí, včetně montážní desky pro terč, kalibračního terče pro ESD pistoli, 20dB atenuátoru pro připojení osciloskopu a terče a kabelů. Proudový průběh na terči je snímán osciloskopem a standardní průběh je porovnán za účelem určení, zda je nutné zařízení upravit, čímž je zajištěna dlouhodobá spolehlivost testovacích dat.
• ESD-FCP Automobilová elektronika ESD spojovací deska: Je určena pro testování automobilové elektroniky (v souladu s normou GB/T 19951-2019), obsahuje mosaznou spojovací desku o rozměrech 300*600 mm, spojovací pásku o šířce 40 mm a výbojový ostrůvek o průměru 80 mm. Simuluje vazbu ESD mezi elektronickými zařízeními (jako jsou navigátory a palubní nabíječky) a karoserií vozidla v prostředí vozidla a je vhodná pro... ESD61000-2Model C.

4. Scénáře průmyslového využití LISUN ESD61000-2 Simulátorové zbraně ESD
4.1 Oblast spotřební elektroniky: Testování odolnosti chytrých telefonů vůči elektrostatickému výboji (ESD)
Jakožto vysoce integrovaná elektronická zařízení jsou chytré telefony náchylné k rušení elektrostatickým výbojem (ESD) v částech, jako jsou obrazovky, tlačítka a nabíjecí porty, a proto musí projít IEC 61000-4-2 Testování úrovně 3 (15 kV výboj ve vzduchu, 8 kV kontaktní výboj). Výrobce chytrých telefonů použil LISUN ESD61000-2A Simulační ESD pistole pro testování:
• Testovací objekt: Kompletní smartphone (včetně kovového středního rámu a skleněné obrazovky);
• Plán testování: Kontaktní výboj (kovový střední rám, nabíjecí port) s napětím 8 kV, 10 výbojů pro každou z kladné/záporné polarity; Vzduchový výboj (skleněná clona, ​​plastová tlačítka) s napětím 15 kV, 10 výbojů pro každou z kladné/záporné polarity;
• Výsledek testu: U kvalifikovaných vzorků nedošlo během testu k žádným pádům ani restartům a dotyková funkce byla normální; U nekvalifikovaných vzorků (čip ovladače obrazovky určité šarže neměl ochranu proti elektrostatickému výboji) docházelo k blikání obrazovky během výboje vzduchu 12 kV. Později, přidáním ochranné diody TVS ESD, zařízení prošlo testem 15 kV a splnilo požadavky na přístup na trh.

4.2 Oblast automobilové elektroniky: Testování palubních navigačních systémů
Automobilová elektronická zařízení musí splňovat normu GB/T 19951 (ISO 10605) a požadavky na testování jsou přísnější (například zvýšený počet výbojů a složité metody propojení). Podnik zabývající se automobilovou elektronikou použil ESD61000-2Spojovací deska C + ESD-FCP pro testování navigačního systému ve vozidle:
• Testovací scénář: Simulujte vazbu ESD mezi navigátorem a karoserií vozidla během provozu vozidla s využitím metody vazby elektrického pole (aplikace ESD přes spojovací desku ESD-FCP);
• Zkušební parametry: Napětí 12 kV, 50 výbojů, interval 1 s, střídání polarity;
• Ověření klíče: Během testu musí navigátor zachovat normální funkce navigace a hlasového vysílání, bez ztráty dat nebo zamrznutí rozhraní. U určitého vzorku došlo k přerušení signálu GPS během výboje 10 kV kvůli špatnému uzemnění desky plošných spojů. Po optimalizaci návrhu uzemnění úspěšně prošel testem 12 kV.

4.3 Oblast průmyslového řízení: Testování PLC regulátorů
Průmyslová řídicí zařízení (jako jsou PLC a frekvenční měniče) musí v průmyslovém prostředí odolávat vysokému rušení elektrostatickým výbojem (ESD). Podnik zabývající se automatizací použil ESD61000-2 otestování PLC regulátoru:
• Testované součásti: tlačítka PLC panelu (kontaktní výboj 6 kV), plášť (vzduchový výboj 10 kV), komunikační rozhraní (kontaktní výboj 6 kV);
• Testovací standard: IEC 61000-4-2 Úroveň 4 (nejvyšší úroveň pro průmyslové prostředí);
• Výsledek testu: Kvalifikované PLC mohly i po testu normálně přijímat/odesílat řídicí příkazy bez odchylek ve výstupních signálech; U nekvalifikovaných PLC docházelo k přerušení komunikace během kontaktního výboje 6 kV, protože komunikační rozhraní nemělo žádnou ochranu. Později, přidáním stínící vrstvy a ochranného obvodu ESD, se zlepšila imunita zařízení.

5. Ověřování souladu se standardy a výkonnosti LISUN ESD61000-2 Simulátorové zbraně ESD
5.1 Dodržování norem
Jedno LISUN ESD61000-2 Simulační pistole ESD řady striktně splňují mezinárodní i domácí autoritativní normy, aby byla zajištěna univerzálnost a uznání výsledků testů:
• Obecné normy pro elektroniku: GB/T 17626.2-2018 „Elektromagnetická kompatibilita – Zkušební a měřicí techniky – Zkouška odolnosti proti elektrostatickému výboji“, IEC/EN 61000-4-2:2008, zahrnující spotřební elektroniku, zařízení informačních technologií, domácí spotřebiče a další oblasti;
• Normy pro automobilovou elektroniku: GB/T 19951-2019 „Silniční vozidla – Podmínky prostředí a zkoušení elektrických a elektronických zařízení – Část 2: Elektrické zátěže“, ISO 10605:2023, platné pro elektronická zařízení ve vozidlech, nabíjecí stanice a další výrobky;
• Kalibrační standardy: Procházejí kalibrací třetí strany uznanou CNAS v souladu s normou JJF 1597-2016 „Kalibrační specifikace pro simulační pistole ESD“, čímž zajišťují, že parametry zařízení splňují požadavky na sledovatelnost množství.

5.2 Ověření výkonu
Pro ověření stability testování ESD61000-2, stejné zařízení bylo použito k provedení 10 opakovaných testů na standardním vzorku ESD (kovová deska) (kontaktní výboj 8 kV, kladná polarita). Výsledky jsou následující:

Data ukazují, že odchylka parametrů 10 testů je menší než ±0.5 %, což dokazuje, že ESD61000-2 má vynikající opakovatelnost testů a umožňuje zabránit chybnému odhadu způsobenému kolísáním zařízení.

6. Závěry
Díky vysoce přesnému řízení napětí, vyměnitelným RC modulům a funkcím vícerežimového testování... LISUN ESD61000-2 Simulátorové zbraně ESD řeší problematické body tradičních zařízení, jako jsou „nepřesné průběhy, jednotlivé scénáře a složité operace“, a poskytuje standardizované a vysoce spolehlivé řešení pro testování odolnosti elektrických a elektronických zařízení vůči ESD. Jeho použití ve spotřební elektronice, automobilové elektronice, průmyslovém řízení a dalších oblastech nejen pomáhá podnikům identifikovat zranitelnosti produktů v oblasti ochrany proti ESD, ale také poskytuje klíčovou datovou podporu pro produkty, aby splnily mezinárodní certifikace (jako je CE, FCC, CQC). Má velký význam pro zlepšení spolehlivosti elektronických zařízení a zajištění bezpečnosti uživatelů.