Pistolety symulujące wyładowania elektrostatyczne (ESD): zastosowanie i badania techniczne w testowaniu odporności urządzeń elektrycznych i elektronicznych na wyładowania elektrostatyczne (ESD)

Abstrakcja
Dzięki cyfrowym i inteligentnym technologiom, urządzenia elektryczne i elektroniczne dynamicznie rozwijają się w kierunku wysokiej integracji i niskiego zużycia energii, a ich wrażliwość na zakłócenia spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) znacznie wzrosła. Jako powszechne źródło zakłóceń elektromagnetycznych dla urządzeń elektronicznych, ESD może powodować awarie urządzeń, utratę danych, a nawet uszkodzenia sprzętu. Dlatego też badania odporności na ESD stały się kluczowym elementem weryfikacji niezawodności produktów. W niniejszym artykule omówiono LISUN ESD61000-2 Pistolety do symulatorów ESD Jako obiekt badań, systematycznie omawia architekturę techniczną, podstawowe funkcje i zgodność z normami, a także dogłębnie analizuje zasadę działania urządzenia, precyzyjnie odtwarzając impulsy ESD i zapewniając znormalizowane warunki testowania. W połączeniu z rzeczywistymi danymi testowymi i scenariuszami zastosowań w wielu branżach, weryfikowana jest dokładność i niezawodność urządzenia w ocenie odporności urządzeń elektrycznych i elektronicznych na wyładowania elektrostatyczne. Wyniki badań pokazują, że LISUN ESD61000-2 Pistolety symulujące ESD spełniają wymagania norm międzynarodowych i krajowych, takich jak GB/T 17626.2 (IEC/EN 61000-4-2), zapewniając profesjonalne rozwiązania testowe dla badań i rozwoju urządzeń elektronicznych, kontroli jakości w fabryce oraz certyfikacji przez niezależne instytucje. Ma to ogromne znaczenie dla zapewnienia stabilnej pracy urządzeń w warunkach zakłóceń ESD.

1. Wstęp
Wyładowania elektrostatyczne (ESD) to powszechne zjawisko interferencji elektromagnetycznej w przyrodzie. Gdy naładowany obiekt styka się z urządzeniem elektronicznym lub zbliża się do niego, natychmiast uwalnia dużą ilość ładunku, tworząc prąd impulsowy (o wartości szczytowej do kilkudziesięciu amperów i czasie narastania zaledwie 0.6-1 ns), powodując oddziaływanie elektromagnetyczne na wewnętrzne układy scalone i obwody urządzenia. Według statystyk branżowych, około 25% awarii urządzeń elektronicznych jest spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Spośród nich, takie dziedziny jak elektronika użytkowa i elektronika samochodowa są bardziej narażone na interferencje ESD ze względu na wysoką integrację urządzeń. Na przykład, awarie, takie jak awarie dotykowe ekranów smartfonów i awarie systemów nawigacyjnych w pojazdach, są najczęściej związane z chwilowymi zaburzeniami obwodów spowodowanymi przez ESD.

Aby ujednolicić proces testowania odporności na wyładowania elektrostatyczne, Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) wydała IEC 61000-4-2 W Chinach jednocześnie opracowano normę GB/T 17626.2, która jednoznacznie wymaga stosowania specjalistycznego sprzętu do symulacji scenariuszy ESD o różnych poziomach w celu oceny odporności urządzeń. Tradycyjny sprzęt do testowania ESD ma problemy, takie jak niestabilne parametry impulsu rozładowania, pojedynczy tryb testowania i słaba kompatybilność, co utrudnia spełnienie wymagań testowych różnych produktów. ESD61000-2 seria pistoletów symulacyjnych ESD opracowana przez LISUN Są one przeznaczone do testowania odporności urządzeń elektrycznych i elektronicznych na wyładowania elektrostatyczne (ESD). Wykorzystując precyzyjne moduły RC (rezystancyjno-pojemnościowe) oraz inteligentną technologię sterowania, mogą one precyzyjnie odtwarzać różne scenariusze wyładowań elektrostatycznych (ESD), takie jak wyładowanie w powietrzu i wyładowanie kontaktowe, z zakresem napięcia wyjściowego 0.1–30 kV, dostosowując się do potrzeb testowych elektroniki użytkowej, elektroniki samochodowej, sterowania przemysłowego i innych dziedzin. Niniejszy artykuł kompleksowo analizuje wartość techniczną i zastosowanie przemysłowe tego urządzenia. LISUN ESD61000-2 Symulatory ESD Pistolety w czterech wymiarach: zasada działania sprzętu, podstawowe parametry wydajności, scenariusze zastosowań i zgodność z normami.

2. Architektura techniczna i zasady działania rdzenia LISUN ESD61000-2 Pistolety do symulatorów ESD
2.1 Projekt architektury technicznej
LISUN ESD61000-2 Pistolety symulujące wyładowania elektrostatyczne (ESD) wykorzystują koncepcję „modułową + zintegrowaną”, która jako całość składa się z pięciu podstawowych systemów. Każdy system współpracuje ze sobą, aby zapewnić precyzyjne generowanie impulsów ESD i inteligentną kontrolę procesu testowania:
• System generowania i regulacji wysokiego napięcia: Zawiera moduł mocy wysokiego napięcia o wysokiej częstotliwości i obwód sprzężenia zwrotnego napięcia, który umożliwia ciągłą regulację napięcia w zakresie 0.1–20 kV (ESD61000-2) i 0.1-30 kV (ESD61000-2A/2C), z dokładnością napięcia kontrolowaną w zakresie ±5%. Dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej, system ten monitoruje napięcie wyjściowe w czasie rzeczywistym i dynamicznie je koryguje, zapobiegając odchyleniom napięcia spowodowanym wahaniami napięcia w sieci energetycznej lub zmianami obciążenia oraz zapewniając stabilność energii ESD.
• Moduł rezystancji-pojemności rozładowania (RC): Jako główny element symulujący przebiegi impulsów ESD, ESD61000-2 wyposażony jest w standardowy moduł 330Ω/150pF (spełniający wymagania IEC 61000-4-2 standardowy), podczas gdy ESD61000-2A/2C oferuje cztery wymienne moduły, takie jak 150 pF/330 Ω i 150 pF/2000 Ω. Parametry RC można przełączać zgodnie z normami testowymi (takimi jak GB/T 17626.2 dla elektroniki ogólnej i GB/T 19951 dla elektroniki samochodowej), aby odtworzyć impulsy ESD w różnych scenariuszach. Na przykład, 330 Ω/150 pF służy do symulacji ESD ludzkiego ciała, a 2000 Ω/150 pF do symulacji ESD obudowy urządzenia.
• Elektroda rozładowcza i system wyzwalania: Wyposażony jest w elektrodę spiczastą (do rozładowania kontaktowego) i elektrodę okrągłą (do rozładowania powietrznego). ESD61000-2C jest dodatkowo wyposażony w dużą, okrągłą elektrodę o średnicy 30 mm, dostosowaną do wymagań rozładowania różnych obiektów testowych: rozładowanie kontaktowe jest odpowiednie dla powłok przewodzących lub powierzchni metalowych (takich jak metalowa obudowa smartfona), a rozładowanie powietrzne jest odpowiednie dla powierzchni izolacyjnych (takich jak obudowy z tworzywa sztucznego). Tryb wyzwalania obsługuje tryb ręczny (pojedyncze rozładowanie) i automatyczny (ciągłe rozładowanie z częstotliwością 0.05–99.99 s/rozładowanie), spełniając podwójne wymagania: testowania partii i precyzyjnego testowania punktowego.
• System sterowania i rejestracji danych: Wyposażony w wyświetlacz LCD z obsługą języka chińskiego i angielskiego, obsługuje wiele funkcji testowych, takich jak test pojedynczy, test zliczający (1-9999 razy), test poziomu IEC (automatyczne przełączanie między poziomami 1-4) oraz tryb programowania (konfigurowalne napięcie, czasy i interwały). Urządzenie może rejestrować w czasie rzeczywistym dane, takie jak liczba wyładowań, wartość napięcia i stan błędu, a po zakończeniu testu generować standardowy raport, ułatwiając śledzenie i analizę danych.
• System bezpieczeństwa: integruje zabezpieczenie nadprądowe wysokiego napięcia, zabezpieczenie przed upływami prądu oraz przycisk zatrzymania awaryjnego. W przypadku nieprawidłowego napięcia lub upływu prądu, urządzenie automatycznie odcina zasilanie wysokiego napięcia. Obudowa urządzenia jest owinięta materiałem izolacyjnym, a w obszarze elektrody rozładowczej umieszczono znaki ostrzegawcze, aby zapobiec przypadkowemu dotknięciu przez operatorów elementów pod wysokim napięciem i zapewnić bezpieczeństwo procesu testowania.

2.2 Zasada działania: Dokładne odtwarzanie impulsów ESD
Istotą testów odporności na wyładowania elektrostatyczne jest symulacja przebiegu prądu impulsowego podczas rzeczywistych procesów wyładowań elektrostatycznych. LISUN ESD61000-2 Realizuje generowanie przebiegów impulsowych spełniających wymagania norm dzięki technologii „ładowania i rozładowywania RC + kalibracji przebiegu”. Zasada działania jest następująca:
• Etap ładowania: Zasilacz wysokiego napięcia ładuje kondensator magazynujący energię (np. 150 pF) za pomocą rezystora ograniczającego prąd, aż napięcie kondensatora osiągnie wartość zadaną (np. ±8 kV). Proces ładowania jest monitorowany przez układ sprzężenia zwrotnego napięcia, aby zapewnić, że odchylenie między napięciem kondensatora a wartością zadaną nie przekracza ±5%.
• Etap rozładowania: Sygnał wyzwalający uruchamia przełącznik rozładowania, a kondensator magazynujący energię szybko rozładowuje się przez rezystor rozładowczy (np. 330 Ω) i elektrodę, tworząc natychmiastowy prąd impulsowy. Czas narastania prądu jest kontrolowany w zakresie 0.6–1 ns (spełniając wymagania). IEC 61000-4-2 standard), a szczytowy prąd zmienia się wraz z napięciem (na przykład szczytowy prąd wynosi około 29.4 A przy 8 kV).
• Kalibracja przebiegu: Przed opuszczeniem fabryki urządzenie przechodzi niezależną kalibrację CNAS (z użyciem zestawu kalibracyjnego ESD-CALA) w celu kalibracji przebiegów prądu impulsowego (pierwszy prąd szczytowy, prąd przy 30 ns/60 ns oraz czas narastania krawędzi) przy różnych napięciach, co zapewnia zgodność parametrów przebiegu z wymaganiami normy. Na przykład, podczas rozładowywania napięciem dodatnim 8 kV, pierwszy prąd szczytowy powinien osiągnąć 29.4 A ±10%, prąd przy 30 ns powinien utrzymywać się na poziomie 16.2 A ±15%, a prąd przy 60 ns powinien ustabilizować się na poziomie 9.3 A ±20%, aby zapewnić porównywalność i powtarzalność wyników testów.

3. Wydajność parametrów i rozwiązania wspomagające LISUN ESD61000-2 Pistolety do symulatorów ESD
3.1 Porównanie podstawowych parametrów i dane kalibracyjne
LISUN ESD61000-2 seria obejmuje trzy modele: ESD61000-2, ESD61000-2A, ESD61000-2C. Każdy model różni się zakresem napięcia, modułem RC i obowiązującymi normami, a także może być dostosowany do potrzeb testowych różnych branż. Poniższe tabele przedstawiają porównanie podstawowych parametrów tej serii modeli oraz dane kalibracyjne. ESD61000-2:
Tabela 1 Porównanie podstawowych parametrów LISUN ESD61000-2 Seria

Tabela 2 Dane kalibracyjne LISUN ESD61000-2 Broń symulująca ESD (raport niezależnych CNAS)

Z danych kalibracyjnych wynika, że ​​parametry prądu impulsowego ESD61000-2 Przy różnych napięciach i polaryzacji, wszystkie spełniają wymagania normy GB/T 17626.2. Odchylenie pierwszego prądu szczytowego wynosi mniej niż ±5%, a czas narastania krawędzi jest stabilny i wynosi 0.89–0.97 ns, co dowodzi, że urządzenie jest w stanie precyzyjnie odtwarzać impulsy ESD.

3.2 Wspieranie rozwiązań testowych
Aby zapewnić, że środowisko testowe spełnia wymagania normy, LISUN zapewnia trzy rodzaje sprzętu pomocniczego, który współpracuje z ESD61000-2 seria pistoletów symulujących ESD do budowy kompletnego systemu testowania odporności na ESD:
• Stół testowy ESD-DESK: Zaprojektowany zgodnie z wymaganiami normy GB/T 17626.2, zawiera stół testowy o wymiarach 1600 x 800 mm, metalową płytę uziemiającą (2800 x 1800 mm), poziome/pionowe płyty sprzęgające (symulujące metalowe elementy wokół urządzenia) oraz uszczelki izolacyjne (zapobiegające uziemieniu próbki). Stół może symulować środowisko uziemienia i efekt sprzężenia elektromagnetycznego w rzeczywistych warunkach użytkowania i nadaje się do testowania urządzeń elektronicznych powszechnego użytku, takich jak smartfony, komputery i routery.
• Zestaw kalibracyjny pistoletu ESD-CALA ESD: Służy do regularnej kalibracji parametrów przebiegu impulsów pistoletów symulujących ESD, w tym płytki montażowej tarczy, tarczy kalibracyjnej dla pistoletu ESD, tłumika 20 dB do połączenia oscyloskopu z tarczą oraz kabli. Przebieg prądu na tarczy jest rejestrowany przez oscyloskop, a przebieg standardowy jest porównywany w celu ustalenia, czy urządzenie wymaga regulacji, zapewniając długoterminową niezawodność danych testowych.
• Płytka sprzęgająca ESD-FCP do elektroniki samochodowej: Zaprojektowana do testów elektroniki samochodowej (zgodnie z normą GB/T 19951-2019), zawiera mosiężną płytkę sprzęgającą o wymiarach 300*600 mm, taśmę sprzęgającą o szerokości 40 mm oraz wyspę rozładowczą o średnicy 80 mm. Symuluje sprzężenie ESD między urządzeniami elektronicznymi (takimi jak nawigatory i ładowarki samochodowe) a nadwoziem pojazdu w środowisku wewnątrz pojazdu i jest odpowiednia do: ESD61000-2Model C.

4. Scenariusze zastosowań przemysłowych LISUN ESD61000-2 Pistolety do symulatorów ESD
4.1 Dziedzina elektroniki użytkowej: Testowanie odporności smartfonów na wyładowania elektrostatyczne
Jako sprzęt elektroniczny o wysokiej integracji smartfony są podatne na zakłócenia ESD na takich elementach jak ekrany, przyciski i porty ładowania, dlatego muszą przejść IEC 61000-4-2 Test poziomu 3 (wyładowanie w powietrzu 15 kV, wyładowanie kontaktowe 8 kV). Producent smartfonów wykorzystał LISUN ESD61000-2A Pistolety symulujące ESD do testowania:
• Obiekt testowy: kompletny smartfon (wraz z metalową ramką środkową i szklanym ekranem);
• Plan testu: Wyładowanie kontaktowe (metalowa rama środkowa, port ładowania) przy napięciu 8 kV, 10 wyładowań dla każdej biegunowości dodatniej/ujemnej; Wyładowanie powietrzne (ekran szklany, przyciski plastikowe) przy napięciu 15 kV, 10 wyładowań dla każdej biegunowości dodatniej/ujemnej;
• Wynik testu: Zakwalifikowane próbki nie zanotowały awarii ani restartów podczas testu, a funkcja dotykowa działała prawidłowo. W niezakwalifikowanych próbkach (układ sterownika ekranu z określonej partii nie posiadał zabezpieczenia ESD) wystąpiło migotanie ekranu podczas wyładowania w powietrzu o napięciu 12 kV. Później, dzięki dodaniu diody zabezpieczającej przed ESD TVS, urządzenie przeszło test 15 kV i spełniło wymagania dotyczące dostępu do rynku.

4.2 Dziedzina elektroniki samochodowej: testowanie systemów nawigacyjnych w pojazdach
Sprzęt elektroniczny w pojazdach musi być zgodny z normą GB/T 19951 (ISO 10605), a wymagania testowe są bardziej rygorystyczne (np. zwiększona liczba wyładowań i złożone metody sprzężenia). Przedsiębiorstwo zajmujące się elektroniką samochodową wykorzystało ESD61000-2Płytka sprzęgająca C + ESD-FCP do testowania systemu nawigacji samochodowej:
• Scenariusz testowy: Symulacja sprzężenia ESD pomiędzy nawigatorem a nadwoziem pojazdu podczas jazdy pojazdu, wykorzystując metodę sprzężenia pola elektrycznego (przyłożenie ESD poprzez płytę sprzęgającą ESD-FCP);
• Parametry testu: napięcie 12 kV, 50 wyładowań, odstęp 1 s, zmienna polaryzacja;
• Weryfikacja kluczowa: Podczas testu nawigator musi zachować normalne funkcje nawigacji i transmisji głosowej, bez utraty danych ani zawieszania się interfejsu. W pewnym egzemplarzu wystąpiła przerwa w sygnale GPS podczas wyładowania 10 kV z powodu słabego uziemienia płytki PCB. Po zoptymalizowaniu projektu uziemienia, urządzenie pomyślnie przeszło test 12 kV.

4.3 Obszar sterowania przemysłowego: testowanie sterowników PLC
Urządzenia sterowania przemysłowego (takie jak sterowniki PLC i przetwornice częstotliwości) muszą być odporne na silne zakłócenia ESD w środowiskach przemysłowych. Przedsiębiorstwo zajmujące się automatyzacją wykorzystało ESD61000-2 Aby przetestować sterownik PLC:
• Części testowe: przyciski panelu PLC (rozładowanie kontaktowe 6 kV), obudowa (rozładowanie powietrzne 10 kV), interfejs komunikacyjny (rozładowanie kontaktowe 6 kV);
• Norma testowa: IEC 61000-4-2 Poziom 4 (najwyższy poziom dla środowisk przemysłowych);
• Wynik testu: Zakwalifikowane sterowniki PLC nadal mogły normalnie odbierać/wysyłać polecenia sterujące po teście, bez odchyleń w sygnałach wyjściowych. W niezakwalifikowanych sterownikach PLC występowały przerwy w komunikacji podczas wyładowania kontaktowego o napięciu 6 kV, ponieważ interfejs komunikacyjny nie był zabezpieczony. Później, dzięki dodaniu warstwy ekranującej i obwodu zabezpieczającego przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), poprawiono odporność urządzenia.

5. Zgodność ze standardami i weryfikacja wydajności LISUN ESD61000-2 Pistolety do symulatorów ESD
5.1 Zgodność ze standardem
LISUN ESD61000-2 Seria pistoletów symulacyjnych ESD jest ściśle zgodna z międzynarodowymi i krajowymi normami, aby zapewnić uniwersalność i uznawalność wyników testów:
• Ogólne normy dotyczące elektroniki: GB/T 17626.2-2018 „Kompatybilność elektromagnetyczna – Techniki testowania i pomiaru – Badanie odporności na wyładowania elektrostatyczne”, IEC/EN 61000-4-2:2008, obejmujące elektronikę użytkową, sprzęt informatyczny, sprzęt gospodarstwa domowego i inne dziedziny;
• Normy dotyczące elektroniki samochodowej: GB/T 19951-2019 „Pojazdy drogowe – Warunki środowiskowe i badania sprzętu elektrycznego i elektronicznego – Część 2: Obciążenia elektryczne”, ISO 10605:2023, mające zastosowanie do sprzętu elektronicznego w pojazdach, stosów ładowania i innych produktów;
• Normy kalibracji: zaliczenie kalibracji przeprowadzonej przez niezależną firmę certyfikowaną przez CNAS, zgodnie z normą JJF 1597-2016 „Specyfikacja kalibracji pistoletów symulujących ESD”, co gwarantuje, że parametry urządzenia spełniają wymagania dotyczące identyfikowalności ilościowej.

5.2 Weryfikacja wydajności
Aby sprawdzić stabilność testowania ESD61000-2, tym samym urządzeniem przeprowadzono 10 powtarzanych testów na standardowej próbce testowej ESD (płytce metalowej) (wyładowanie kontaktowe 8 kV, biegunowość dodatnia). Wyniki przedstawiają się następująco:

Dane pokazują, że odchylenie parametrów 10 testów jest mniejsze niż ±0.5%, co dowodzi, że ESD61000-2 zapewnia doskonałą powtarzalność testów i pozwala uniknąć błędnych ocen spowodowanych wahaniami urządzenia.

6. Wnioski
Dzięki precyzyjnej kontroli napięcia, wymiennym modułom RC i funkcjom testowania wielomodowego, LISUN ESD61000-2 Pistolety do symulatorów ESD Rozwiązuje problemy związane z tradycyjnym sprzętem, takie jak „niedokładne przebiegi, pojedyncze scenariusze i złożone operacje”, zapewniając znormalizowane i wysoce niezawodne rozwiązanie do testowania odporności urządzeń elektrycznych i elektronicznych na wyładowania elektrostatyczne (ESD). Jego zastosowanie w elektronice użytkowej, elektronice samochodowej, sterowaniu przemysłowym i innych dziedzinach nie tylko pomaga przedsiębiorstwom identyfikować podatności produktów na wyładowania elektrostatyczne (ESD), ale także zapewnia kluczowe wsparcie danych, aby produkty mogły uzyskać międzynarodowe certyfikaty (takie jak CE, FCC, CQC). Ma on ogromne znaczenie dla poprawy niezawodności urządzeń elektronicznych i zapewnienia bezpieczeństwa użytkowników.