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Test preciso de pulsos ESD usando osciloscopios

ESD (descarga electroestática) es un fenómeno natural con el cual la mayoría de la gente está familiarizada: en el que el simple acto de atravesar un piso alfombrado en calcetines y apretar un interruptor de la luz, o cerrar una puerta de coche después de deslizar la rueda, se traduce en una ligera descarga (que provoca un picotazo) al generar un arco. Mientras que es solamente una pequeña molestia para nosotros ESD es una amenaza significativa para los dispositivos electrónicos. Los componentes electrónicos de automoción están diseñados para tener, y son probados para asegurar, un cierto nivel de inmunidad a las descargas electrostáticas. Las pruebas abordan una variedad de condiciones que los componentes van a encontrar durante su vida, como el envasado, manipulación, ensamblaje de vehículos / servicio, y la función a que están destinados. Los niveles de prueba van de 2 kV a 25 kV en ambas polaridades, y típicamente se llevan a cabo por pasos de tensión aplicada hasta llegar al límite establecido. Las superficies, interfaces y terminales eléctricos de los componentes son sometidos a descargas al aire y por contacto mientras no están alimentados y son configurados y manejados de un modo predeterminado. Mientras está encendido, el componente también puede estar expuesto a los descargas indirectas que producen una perturbación radiada. Vamos a hacer un seguimiento de las desviaciones operativas del componente, inspeccionar daño o disminución del rendimiento al realizar la prueba. Procedimientos similares se llevan a cabo a nivel de vehículo completo también.

Configuración de Medidas ESD.

La verificación del simulador de EDS incluye la caracterización de la forma de onda del pulso de descarga. La segunda edición de la norma ISO 10605 identifica como parámetros de interés el tiempo de subida, primer pico de corriente, corriente en t1 y corriente en t2 (Figura 1). Cuando se trata de la verificación de la constante de tiempo de una determinada red RC, los valores de t1 y t2 varían con el valor de R y C. La figura 2 muestra una pistola simulador ESD aplicando una descarga con contacto en un shunt de corriente. El shunt se conecta al osciloscopio con un acoplamiento DC de 50Ω mediante un cable con doble aislamiento y atenuadores en línea.

Umbrales de ESD y precisión en las medidas

Aunque esta medición es un requisito estándar, a menudo la inexactitud se deriva de dos causas: la selección de umbrales y la elección de la sensitividad vertical. Las medidas tradicionales de un pulso requieren un osciloscopio para determinar los valores altos y bajos del pulso en estado estable, y entonces calcular los parámetros del pulso. El problema aparece cuando se utilizan por defectos umbrales de medida de la industria. El histograma rojo de la Figura 3 identifica el máximo y la base de la forma de onda. Para señales de reloj, los umbrales por defecto automáticamente identifican los niveles del 0% y del 100% de la señal, permitiendo el cálculo correcto de las medidas tales como el de flanco de subida de la señal de reloj. Sin embargo, este método de selección de límites se queda corto cuando se aplica a un pulso de ESD, como se ve en la Figura 4. En el caso del pulso ESD, el estándar IEEE base y top no identifica el límite 100% en la parte semi-estable de la parte baja marcada como top en la figura. También falla en la identificación del límite del 0% cuando decae el área marcada como “base” en la figura, incluso utilizando los valores de pulsos ESD de Zero Volt y Máximo requeridos en los estándares tales como IEC 61000-4-2 e ISO 10605:2008.

Como en estándares como estos requiere poner los límites 100% al máximo nivel de la señal y el de 0% al de Zero Volts, el posicionamiento de los límites por defecto provocará medidas erróneas en el cálculo del tiempo de subida del pulso ESD. La caída prolongado del pulso, remarcada con la línea roja en Figura 5, será, por definición, malinterpre malinterpretadaza por todo osciloscopio como un nivel estable del 100% del nivel Top de la señal (y el pico de la señal mal identificado con un overshoot). El uso de los umbrales por defecto causa una incorrecta determinación del tiempo de subida. Considerando la distancia vertical entre la línea roja y la línea verde sólida de la Figura 5, es fácil imaginar como el tiempo de subida puede estar mal calculado con un margen de error de entre el 100% y el 800% relativo a los requerimientos estándares de EMC. Este error se puede prevenir reconfigurando los dos límites automáticos del 0% y 100% al nivel Zero Volt de la señal y al máximo de la señal (en el círculo verde en la Figura 5).

Escala Vertical y Rango Dinámico

El segundo origen más común de inexactitud en las medidas ESD es la selección del usurio de los voltios por división. Como se ve en la Figura 6, después de la amplificación analógica, la señal de entrada (en este caso un pulso ESD) alimenta un convertidor analógico-digital (ADC). El rango de la amplitud de la señal que el ADC puede procesar efectivamente determina el rango dinámico del osciloscopio, El mínimo de este rango es cuando la potencia de la señal es igual a la potencia del ruido. El máximo pasa cerca o en máximo de escala, utilizando el máximo número de cuentas del ADC, cuando digitaliza la señal con la mínima distorsión. Si adquirimos un pulso ESD que ocupa solo la mitad de la escala vertical en la pantalla, entonces, la señal adquirida perderá un bit de resolución (y la mitad de su rango dinámico), impactando en las medidas tanto verticales como horizontales de la señal.

Las medidas horizontales están directamente afectadas por la incertidumbre en el tiempo de ruido espurio en los puntos de medida. Muchos usuarios de osciloscopios no están al tanto de que en todos los osciloscopios digitales, la resolución vertical de una señal adquirida en la pantalla es proporcional al porcentaje de pantalla ocupado verticalmente por la señal. La Figura 7 muestra una adquisición a escala completa de un pulso ESD; se ve que el pulso ocupa verticalmente toda la cuadrícula. Esta adquisición minimiza la cuantificación del ruido. Como la cuantificación del ruido de una señal adquirida impacta en la precisión de las medidas en ambos ejes, vertical y horizontal (por tanto afecta a la medida del tiempo de subida), el escalado de un pulso ESD es esencial. La Figura 8 muestra el mismo pulso ESD ocupando solo la mitad vertical de la cuadrícula. Un osciloscopio de banco típico en laboratorio EMC tiene un DAC de 8-bits, que tiene 256 niveles de cuantificación (Por eso muchos de ellos recomiendan ya utilizar los osciloscopios de Teldyne LeCroy con DAC de 12 bits y por tanto 4096 niveles). Cuando utilizamos solo la mitad del rango de pantalla, solo la mitad del rango del ADC viene a ser efectivo cuando suministramos la señal del amplificador analógico (refiriéndonos de nuevo a la Figura 5). La otra mitad del ADC no adquiere nada, utilizando solo 128 niveles del ADC, 7-bits de resolución en el pulso ESD adquirido.

La Figura 9 muestra el mismo pulso ESD adquirido ocupando solo un cuarto de pantalla, quedando por tanto aplicado solo el 25% del rango dinámico del osciloscopio al pulso adquirido, o dicho de otra forma 6-bits de resolución. La pérdida de resolución vertical implica un incremento en la cuantificación del ruido, que impacta directamente tanto en las medidas verticales como en las horizontales de tiempo. Por tanto afecta severamente a la medida del tiempo de subida del pulso ESD tan solo por la selección por parte del usuario de V/div. Por esta razón, la escala vertical se deba maximizar en cualquier osciloscopio digital tal como se muestra en la Figura 7. Hay que resaltar que en redes RC donde R = 2 kOhms, la relación del primer pico de corriente a la corriente en t2 es de 25:1. Es la mayor relación de amplitudes medidas en una única señal capturada durante la verificación y proporciona una gran oportunidad para sacar provecho del máximo rango dinámico del osciloscopio.

Resumen

En resumen, dos de los escollos más comunes en la medida de pulsos ESD pueden evitarse cuando el usuario está al tanto de ello. Los límites por defecto de Top y Base deben cambiarse a 0V- Max para evitar el posicionamiento erróneo de las referencias de medida, y el escalado vertical que debe realizarse al máximo de la pantalla para obtener el máximo rango dinámico y mejor integridad de la señal. La utilización de los osciloscopios de ADC de 12-bits de Teledyne LeCroy mejoran notablemente la precisión y resolución de las medidas realizadas.


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simulador osciloscopio


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