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Technical Note

TN.003.20160405 TN003 ESD Simulator Calibration for IEC6100-4-2 & IS010605 By Wei Huang, Jerry Tichenor, and David Pommerenke

ESDEMC Technology LLC, 4000 Enterprise Dr, Suite 103, Rolla, MO, 65409, USA www.esdemc.com Tel: (+1)-573-202-6411 Fax: (+1) 877-641-9358 Email: [email protected]

基于 IEC61000-4-2 和 ISO10605 标准的静电放电

(ESD)模拟发生器的校准

1. 目的及意义本文旨在提供 ESD 模拟发生器的校准参数和性能校验方法，并将校验结果与 IEC 61000-4-2

和 ISO10605 标准的规定值进行对比。

2. 校准要求与设备

2.1 ESD 模拟发生器电压校验

IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)都指出，静电放电发生器的端电压，或者静电放电模

拟器的高压源都需要使用高压表或者静电电压表进行校验。表1 ESD模拟器放电端/高压电源电压校验范围

IEC61000-4-2(2008) ISO10605(2008)

电压校准达 ± 15 kV 达 ± 25 kV

误差范围 < ± 5% < ± 5%

当使用接触式高压表 (>100 G Ohm的输入阻抗)进行校准时, 需要让高压源对放电端进行持

续的充电，以保持电压电位，否则高压表会使放电端放电，导致电压读数慢慢减小。ESDEMC

公司的ES105-100高阻抗高压表能够满足高压校准的要求 (>100 G Ohm 的输入阻抗，能够测试

高达100 kV的电压，并且误差小于 2%)。

由于ESD模拟发生器的放电端尖锐且放电点小，放电端和非接触式静电计之间的容性耦合

很弱，因此低于± 5%的误差范围很难实现。并且，大多数高精度非接触式静电电压表不能够

测量高达±25 kV的静电电压。这就需要放电端和非接触式静电计探头之间有较强的耦合。

ESDEMC公司的ES102振动电容静电计符合高压校准（具有高达1kV自校准能力的非接触式测量）

的要求。该静电计具有已校准的外部高压源和较强的容性耦合，能够测量200V至200kV的静

电电压，并且误差率小于2%。

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2.2 接触式放电模式的放电电流校验

IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)都规定了ESD接触模式放电电流的波形。波形需要满

足的具体要求如下表2所示。表2 接触模式下放电电流波形参数标准要求

标准 IEC61000-4-2(2008) ISO10605(2008)

RC网络数值 150 pF 330 Ohm

150 pF 330 Ohm 330 pF 2000 Ohm 150 pF 330 Ohm 330 pF 2000 Ohm

电压范围接触放电（CD） 2 kV – 8 kV

空气放电（AD） 2 kV – 15 kV

接触放电（CD）2kV – 15 kV

空气放电（AD） 2kV – 25 kV

第一个峰值

Tr

0.6 - 1.0 ns 0.7 - 1.0 ns

第一个峰值误差

率

Ip

3.75 A/kV < ± 15 %

3.75 A/kV < ± 10 % for 330 Ohm Res 0 ~+ 30 % for 2000 Ohm Res

40% RC处的电流

值

I1

2 A/kV < ± 30 %

2 A/kV, < ± 30 % for 330 Ohm Res 0.275 A/kV, < ± 30 % for 2000 Ohm Res

20% RC处的电流

值

I2

1 A/kV < ± 30 %

1 A/kV , < ± 30 % for 330 Ohm Res 0.15 A/kV , < ± 50 % for 2000 Ohm Res

所需设备 4 GHz带宽的ESD电流靶 –衰减器 –连接电缆

< ± 0.5 dB DC - 1 GHz < ± 1.2 dB DC - 4 GHz

> 1.2 x 1.2 平米的参考地平面

示波器 > 2 GHz实时带宽

1 GHz带宽的ESD 电流靶 – 衰减器 – 连接电缆

< ± 0.5 dB DC - 1 GHz

> 1.2 x 1.2平米的参考地平面

示波器 > 1 GHz 实时带宽

误差率每个电压等级下，ESD电流波形需要重复测

量5次。所有的波形都需要满足标准的规

定。

每个电压等级下，ESD电流波形需要重复测

量10次，10次的波形取Tr, Ip, I1, I2各参数的平

均值。计算出的平均值需要满足标准的规

定。


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ESDEMC公司的ES613 ESD模拟发生器能够满足IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)标准

的要求。ES613-20 放电电压达 ±20kV， ES613-30 放电电压达 ±30 kV。

ESDEMC公司的A4001 ESD 电流靶能够满足IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)标准的

要求 (达± 30 kV)。

ESDEMC公司的A4002 ESD 电流靶适配器能够满足IEC61000-4-2(2008)和ISO10605(2008)

标准，能够校准ESD电流靶和适配器的频率响应。

3. 测试装置: ESD 电流靶需要安装在一个 60” x 60” (1.2 m x 1.2 m) 或者更大的垂直校准平板的中心位置。

这个校准平板可以使法拉第笼的一个面。用 8 个螺丝和配套防松垫圈将电流靶固定在一个直

径为 40mm 的孔洞上，孔洞位于校准平板的中心。示波器，衰减器，电缆位于屏蔽笼中，或

者与 ESD 模拟发生器分置在校准平板的两侧。下图 1 为可采用的测试装置说明。

图 1 ESD模拟发生器校准装置

衰减器直接连接 ESD 电流靶的输入端。如果电流靶的输出电压超过了示波器的输入电压

范围，则还需要使用额外的衰减器。选择合适的衰减器，请参照下文中的衰减计算部分。将

ESD 地回路电缆与电流靶的参考校准平面相连。图 2 为简化的连接框图。

ESD Simulator

ESD current, attenuator and

cable chainOscilloscope

(>2GHz band)

Shielding

图 2 ESD 模拟发生器测量典型装置连接图


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衰减计算

图 3 ESD 电流靶与 20dB 衰减器连接配置图

在上面的框图中，20dB 的衰减器与阻抗设置为 50 Ohm 的示波器连接，用于测量 ESD 放

电电流。因为接有20dB的衰减器，因此示波器的输入端电压V2为电流靶注入电压V1的1/10，

或者说

V2= V1/10.

由于衰减器的终端阻抗为 50 Ohm，所以端口 1 的输入阻抗为 2.08//50 Ohm = 2.00 Ohm,意

味着

V1 = IESD ×2.00 Ohm

其中，IESD 是放电发生时，端口 1 的输入电流。2.08 Ohm 的阻值是 ESDEMC 公司制造校准

的 A4001 电流靶的标称值。其他生产商的电流靶阻值可能不同。ESD 放电电流和示波器所测

的电压之间的比率为

IESD / V2 = 5:1

这个比率对于确定衰减器衰减倍数，以确保示波器的测量安全是非常有用的。因为不同

放电电压下的电流值是已知的。例如，当测试 8kV 静电放电电流时，IESD 的峰值应该为 30A，

对应的示波器所测的电压峰值为 6V。在任何新的测试之前，都应该增加衰减倍数以确保设备

的安全，直到对测试装置有足够的信心再调整为合适的衰减器。

下表 3 提供了 ESD 源电压与推荐的电流靶衰减倍数的参考值。这是基于测量中所使用的

示波器为 50 Ohm 5V 的实时示波器（测量范围为 8V, 每格 1V）。表中的绿色区域为安全工作

范围，其中的数值为示波器所显示的电压峰值。黄色区域为需要避免的情况，因为测试标准

中允许有±15%的峰值电流误差，因此衰减倍数可能不够。GHz 级的高速示波器的最大电压读

数为 8V 或者 10V：

2

50


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表 3 ESD 源电压与推荐衰减倍数

ESD 源电压

(kV)

电流峰值

(Amp)

(Amp)

示波器显示的首个电压峰值

(Volt)

ESD 电流靶与示波器之间的的衰减倍数 20 dB 26 dB 30 dB 40 dB

4 15 3.0 V 1.5 V

8 30 6.0 V 3.0 V

15 56.25 11.25 V 5.62 V 3.56 V 1.13 V

25 93.75 18.75 V 9.38 V 5.93 V 1.88 V

30 112.50 22.5 V 11.25 V 7.12 V 2.25 V

标准波形 (IEC 标准)

+4kV 放电电压下 IEC 61000-4-2 标准规定的电流峰值如下图 4 所示。

图 4 IEC61000-4-2 标准规定的 ESD 模拟发生器的理想电流波形


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8kV IEC 测量结果

图 5 IEC61000-4-2 标准 ESD 发生器放电电流波形

测试级别注入电压峰值电流 (±15%) Trise = 0.8 ± 0.2 ns

30 ns 时电流值 (±30%)

60 ns 时电流值 (±30%)

1 级 ±2kV 7.5 A 4 A 2 A

2 级 ±4kV 15 A 8 A 4 A

3 级 ±6kV 22.5A 12 A 6 A

4 级 ±8kV 30 A 16 A 8 A

表 4 IEC 61000-4-2 接触放电电流波形参数

电压上升时间 (ns) 峰值电流 [A] 30 ns 时电流值 [A] 60 ns 时电流值 [A] 结论

IEC (±20%)

Cal Result

IEC (±15%) Cal Result



2 kV

0.8

(0.6~1.0)

0.905 7.5 (6.375~8.625) 7.6 4 (2.8~5.2) 3.45 2 (1.4~2.6) 1.75 符合标准

4 kV 0.909 15 (12.75~17.25) 15.15 8 (5.6~10.4) 7.6 4 (2.8~5.2) 3.3 符合标准

6 kV 0.914 22.5 (19.125~25.875)

22.3 12 (8.4~15.6) 11.3 6 (4.2~7.8) 5 符合标准

8 kV 0.925 30 (25.5~34.5) 30.6 16 (11.8~20.8) 15.5 8 (5.6~10.4) 6.5 符合标准

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

5

10

15

20

25

30

X: 30.13

Y: 13.77

ES612 / EST802 ESD Simulator Waveform Calibration

Time / ns

Curr

ent

/ A

X: 60.37

Y: 7.34

X: -0.0686

Y: 2.96

X: 0.6407

Y: 27.06

8KV


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4. 常见问题

4.1 示波器的带宽/采样率对校准有什么影响？

一些 ESD 事件的上升时间<100 ps，有些实际的 ESD 波形可能上升沿的时间更短。示波器

的带宽需要能够分辨大概 0.35/rt ，或者说，100 ps 的上升沿对应 3.5GHz 的带宽。没有足够的

带宽或采样率，上升沿的数据采集是不准确的。下图呈现了没有足够采样率和有足够采样率

的示波器所采集到的波形对比。

图 6 示波器采样率对上升时间的影响比较

此外，示波器的带宽和采样率还影响测量到的第一个峰值大小，因为第一个峰值具有较

高的频率分量。即使是同一示波器，当设置的采样率不同时，测得的结果也不同。这可能导

致 ESD 模拟发生器在较低采样率的测试时能够通过标准，但实际上当采样率较高时不能符合

标准要求。举例如下图所示。

图 7 同一示波器不同采样率设置下的测量波形


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4.2 当购买 ESD 电流靶时，是否可以只买电流靶，使用已有的电缆和衰减器做校准？

标准规定，在进行 ESD 模拟发生器的校准之前，示波器和 ESD 电流靶 - 衰减器 - 电缆都需进行校

准。如果电流靶的校准没有配备相应的衰减器和电缆，当使用新的衰减器和电缆时，电流靶需要进行

再校准。或者使用人员可以表征其已有的电缆和衰减器，然后从数值上进行补偿计算。

标准规定，校准所用的电缆应该为屏蔽良好，损耗低的电缆。标准推荐采用不超过 1 m

长的 RG400 电缆。RG214 电缆的损耗为 RG400 的 1/2，通常情况是可用的，但可能不匹配 SMA

接头。大多数高速示波器采用了 SMA 或者改良的 BNC 接头。

标准规定，衰减器需要有 4GHz 内平坦的频率响应，以保证电流靶 – 衰减器 – 电缆的传输

阻抗平坦。同时，衰减器需要能够承受相对较大的峰值功率。

4.3 其他参数对测试波形有什么影响？

表 5 其他参数的影响

参数影响

屏蔽 1.2 m x 1.2 m 的参考平板可以用于屏蔽 ESD 模拟发生器和示波器时间的直

接耦合。这是标准中所规定的。不同的示波器所观测到的结果可能有很大

不同。一些示波器会观测到很严重的噪声耦合（不接 ESD 电流靶），而一

些示波器观测到的噪声耦合很小。

接地电缆位置

地线的长度和形状影响着地环路的感抗，因此对第二个 RC 峰值有影响。

正确放置的接地电缆对测量结果的影响很小

ESD 模拟发生器的方向

通常来讲对测试波形有一定影响，但影响很小

空气放电

接近速度和环境参数对结果的可重复性影响很大


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