Cùng một chữ “ESD”, hai thế giới khác nhau. Ở mức linh kiện, mô hình cơ thể người phóng một tụ 100 pF qua điện trở 1500 Ω với sườn dòng 2 đến 10 ns. Ở mức thiết bị hoàn chỉnh, súng ESD theo IEC 61000-4-2 phóng khoảng 150 pF qua khoảng 330 Ω, và sườn dòng chỉ 0,8 ns. Nhanh hơn gần một bậc độ lớn, năng lượng lớn hơn nhiều, và vì thế cả phép đo phóng tĩnh điện lẫn thiết bị dùng để kiểm chứng nó đều phải khác. Bài này đi vào phần mà nhiều phòng thử coi là hộp đen: bảng tham số dạng sóng, chuỗi đo kiểm chứng, và lý do tiêu chuẩn đòi máy hiện sóng băng thông tối thiểu 2 GHz.
Súng ESD không phải mô hình cơ thể người
Hai tiêu chuẩn trả lời hai câu hỏi khác nhau. Mô hình cơ thể người theo ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 hỏi: con chip trần chịu được bao nhiêu vôn trước khi hỏng, và câu trả lời đọc ra từ dòng rò trước và sau ứng suất — chủ đề đã bàn riêng trong bài Thử nghiệm ESD HBM: đo dòng rò trước và sau ứng suất. IEC 61000-4-2 hỏi một câu hoàn toàn khác: sản phẩm hoàn chỉnh, đã lắp vỏ, có còn hoạt động đúng khi người dùng chạm vào nó bằng một bàn tay tích điện hay không.
Vì câu hỏi khác nên mạch phóng khác. IEC 61000-4-2 mô tả bộ tạo xung gồm điện trở nạp, tụ tích năng lượng, điện dung phân bố, điện trở phóng, chỉ thị điện áp và khoá phóng. Tiêu chuẩn ghi rõ tổng điện dung tích năng lượng cộng điện dung phân bố có giá trị tiêu biểu 150 pF, và điện trở phóng có giá trị tiêu biểu 330 Ω — nhưng ngay sau đó nói thẳng rằng cả sơ đồ lẫn giá trị linh kiện đều không được quy định chi tiết. Điều bắt buộc là bộ tạo xung phải đạt các bảng thông số kỹ thuật. Nói cách khác, đây là tiêu chuẩn theo kết quả: bạn không chứng minh sự phù hợp bằng cách chỉ vào linh kiện bên trong súng, mà bằng cách đo dạng sóng nó phát ra.
Bốn mức thử và hai phương pháp phóng
Bảng mức thử của IEC 61000-4-2 có hai cột, và hai cột này không tương đương nhau — tiêu chuẩn nói rõ điều đó, rằng điện áp khác nhau giữa hai phương pháp không hàm ý mức khắc nghiệt là như nhau.
- Phóng tiếp xúc: mức 1 là 2 kV, mức 2 là 4 kV, mức 3 là 6 kV, mức 4 là 8 kV.
- Phóng không khí: mức 1 là 2 kV, mức 2 là 4 kV, mức 3 là 8 kV, mức 4 là 15 kV.
Ngoài ra còn mức “x” tuỳ định, phải được nêu trong đặc tả thiết bị riêng.
Ba quy tắc áp dụng hay bị làm sai:
Một, phóng tiếp xúc là phương pháp ưu tiên. Phóng không khí chỉ dùng khi không thể áp dụng phóng tiếp xúc — chẳng hạn bề mặt nhựa cách điện. Chọn phóng không khí vì nó “dễ hơn” là làm sai tinh thần tiêu chuẩn.
Hai, hai phương pháp có cách leo mức khác nhau. Với phóng không khí, phép thử phải được áp dụng ở tất cả các mức trong bảng cho tới và bao gồm mức đã định. Với phóng tiếp xúc, phép thử chỉ áp dụng ở đúng mức đã định, trừ khi ban kỹ thuật sản phẩm quy định khác. Nhiều phòng thử làm ngược lại và tốn thời gian vô ích.
Ba, dung sai điện áp ra là ±5%, thời gian giữ điện áp tối thiểu 5 giây, và chế độ làm việc là phóng đơn lẻ. Bộ tạo xung nên có khả năng phóng lặp ít nhất 20 lần mỗi giây, nhưng chỉ để dò tìm sơ bộ chứ không phải để thử chính thức.
Bảng tham số dạng sóng: bốn điểm phải đạt
Đây là phần định lượng của tiêu chuẩn. Với dòng phóng tiếp xúc, mỗi mức phải đạt bốn con số:
- Dòng đỉnh thứ nhất, dung sai ±15%: 7,5 A ở 2 kV; 15 A ở 4 kV; 22,5 A ở 6 kV; 30 A ở 8 kV.
- Thời gian lên, dung sai ±25%: 0,8 ns ở cả bốn mức — không đổi theo điện áp.
- Dòng tại 30 ns, dung sai ±30%: 4 A; 8 A; 12 A; 16 A.
- Dòng tại 60 ns, dung sai ±30%: 2 A; 4 A; 6 A; 8 A.
Hai định nghĩa phải đọc kỹ, vì làm sai là ra số sai mà không hề báo lỗi. Thời gian lên là khoảng giữa mức 10% và mức 90% của dòng đỉnh thứ nhất. Mốc thời gian để đo dòng tại 30 ns và 60 ns là thời điểm dòng lần đầu đạt 10% của đỉnh thứ nhất — không phải thời điểm kích hoạt máy, cũng không phải đỉnh.
Tiêu chuẩn còn cho hẳn phương trình của dạng sóng lý tưởng, dạng tổng hai hàm mũ với các hằng số thời gian τ₁ = 1,1 ns, τ₂ = 2 ns, τ₃ = 12 ns, τ₄ = 37 ns, và ở mức 4 kV thì I₁ = 16,6 A và I₂ = 9,3 A, với số mũ n = 1,8. Bốn hằng số thời gian ấy giải thích hình dạng đặc trưng của xung: một đỉnh rất nhọn do thành phần nhanh, rồi một đuôi chậm kéo dài hàng chục nano-giây.
Chuỗi đo kiểm chứng: bia dòng, suy hao và mặt phẳng hiệu chuẩn
Phụ lục B của tiêu chuẩn là phần chuẩn tắc, và nó liệt kê rõ những gì phải có để hiệu chuẩn bộ tạo xung:
- Máy hiện sóng có băng thông đủ — băng thông analog tối thiểu 2 GHz.
- Chuỗi bia dòng đồng trục, bộ suy hao và cáp.
- Vôn kế cao áp đo được ít nhất 15 kV; có thể phải dùng vôn kế tĩnh điện để không làm tải điện áp ra.
- Mặt phẳng hiệu chuẩn thẳng đứng với bia dòng đồng trục gắn sao cho có ít nhất 0,6 m từ bia tới mọi cạnh của mặt phẳng.
- Bộ suy hao đủ khả năng chịu công suất.
Bản thân đường chuyển tiếp của bia cũng có yêu cầu định lượng đáng chú ý: nó phải giữ trở kháng (50 ± 1) Ω trong băng thông 4 GHz; hai đường chuyển tiếp úp mặt vào nhau phải cho tổn hao phản hồi tốt hơn 30 dB tới 1 GHz và tốt hơn 20 dB tới 4 GHz, với tổng tổn hao chèn dưới 0,3 dB tới 4 GHz.
Chi tiết 0,6 m không phải trang trí: ở sườn 0,8 ns, phản xạ từ mép mặt phẳng kim loại quay lại đúng vào cửa sổ thời gian mà bạn đang đo dòng tại 30 ns. Mặt phẳng hẹp sẽ tạo ra gợn không có thật trên đuôi xung.
Vì sao tiêu chuẩn đòi máy hiện sóng tối thiểu 2 GHz
Con số 2 GHz thoạt nhìn có vẻ dư dả cho một sườn 0,8 ns. Hãy làm phép tính. Tần số cực đại của một sườn đo ở mức 10–90% xấp xỉ 0,5 chia thời gian lên, tức 0,5 / 0,8 ns = 625 MHz. Với máy đáp ứng phẳng, để đạt sai số thời gian lên khoảng 3% cần băng thông gấp 1,4 lần con số đó, tức khoảng 875 MHz. Vậy tại sao lại là 2 GHz?
Ba lý do cộng lại:
Một, dung sai ±25% nằm ở phía nhanh. Một bộ tạo xung hợp chuẩn hoàn toàn có thể cho sườn 0,6 ns. Khi đó tần số cực đại là 833 MHz và băng thông cần cho sai số 3% lên khoảng 1,17 GHz. Máy đo phải đủ tốt cho mẫu nhanh nhất còn hợp chuẩn, không phải cho mẫu danh định.
Hai, bạn không chỉ đo thời gian lên. Bạn còn phải đọc chính xác biên độ đỉnh thứ nhất với dung sai ±15%. Băng thông vừa đủ để “nhìn thấy” sườn vẫn có thể làm cụt đỉnh vài phần trăm — và đỉnh bị cụt đẩy phép đo về phía kết luận sai rằng súng không đạt.
Ba, phần còn lại của chuỗi đo đã được đặc tả tới 4 GHz. Đường chuyển tiếp của bia giữ trở kháng tới 4 GHz và tổn hao chèn dưới 0,3 dB tới 4 GHz. Sẽ vô lý nếu máy hiện sóng là mắt xích hẹp nhất trong một chuỗi được thiết kế tới 4 GHz. Ngưỡng 2 GHz là mức tối thiểu để máy không trở thành nút thắt — và trong thực tế, một máy 4 đến 6 GHz cho biên an toàn thoải mái hơn nhiều.
Về mặt trôi dạt theo thời gian của chính súng ESD, đặc biệt là trôi thời gian lên và hệ quả của nó lên kết quả thử, bài Hiệu chuẩn thiết bị mô phỏng ESD đã bàn riêng về rủi ro âm tính giả và dương tính giả.
Chọn máy hiện sóng Keysight cho kiểm chứng dạng sóng ESD
Mặt trước Keysight DSOS604A dòng Infiniium S với bộ chuyển đổi 10 bit.
Tiêu chí chọn ở đây rất cụ thể: băng thông vượt ngưỡng 2 GHz với biên dự phòng, và nền nhiễu đủ thấp để đọc đúng dòng tại 60 ns — thời điểm mà biên độ chỉ còn khoảng một phần tư đỉnh.
Với phòng hiệu chuẩn muốn biên an toàn rộng so với ngưỡng tiêu chuẩn và muốn thấy cả cấu trúc nhanh trên đỉnh xung, máy hiện sóng Keysight DSOS604A dòng Infiniium S cho 6 GHz — gấp ba ngưỡng tối thiểu, và vẫn còn dư địa khi chuỗi bia được đặc tả tới 4 GHz.
Khi ngân sách hướng tới mức vừa đủ vượt ngưỡng cho công việc kiểm chứng định kỳ, máy hiện sóng Keysight DSOS254A cho 2,5 GHz với bộ chuyển đổi 10 bit; độ phân giải dọc cao giúp đọc đuôi xung ở 60 ns ổn định hơn khi phải để thang đo phủ được đỉnh 30 A.
Nếu bàn đo còn phải dùng chung cho việc quan sát nhiễu và nhiều đường nguồn khi thử miễn nhiễm, máy hiện sóng Keysight EXR058A cho số kênh nâng cấp được và bộ nhớ sâu — phù hợp để bắt đồng thời dòng phóng và phản ứng của thiết bị cần thử, dù với riêng phép kiểm chứng dạng sóng thì băng thông của nó chỉ nên coi là mức tối thiểu.
Kết luận
Phép đo phóng tĩnh điện theo IEC 61000-4-2 là phép đo theo kết quả: bạn chứng minh súng ESD hợp chuẩn bằng bốn con số trên dạng sóng phóng điện chứ không bằng linh kiện bên trong nó. Hãy nhớ ba điều dễ sai: mốc thời gian cho 30 ns và 60 ns là lúc dòng lần đầu đạt 10% đỉnh; phóng tiếp xúc chỉ thử ở đúng mức đã định còn phóng không khí phải leo qua mọi mức; và máy hiện sóng 2 GHz là ngưỡng tối thiểu, không phải mục tiêu.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu bạn cần dựng chuỗi đo kiểm chứng dạng sóng ESD, hoặc cần hiệu chuẩn máy hiện sóng và phụ kiện để kết quả kiểm chứng có chuỗi truy xuất chuẩn, hãy gọi 0908 173 345.
