TTO -07-00 9:33 Pagna 7.4 Taratura d un generatore d scarche elettrostatche: valutazone delle ncertezze d msura e rferbltà GLBETO BSSO*, MCHELE BOSEO**, GUSEPPE VZO**: * PMM COSTUZON ELETTONCHE CENTO ST 08 - CSNO SUL NEV (SV) ** STTUTO ELETTOTECNCO NZONLE G. FES - FX (0) 65076 ntroduzone La drettva della Comuntà Europea 89/336/EEC sulla compatbltà elettromagnetca (EMC) prescrve l esecuzone d numerose prove sulle apparehature elettrche ed elettronche al fne d garantre, da un lato, un basso lvello d emsson elettromagnetche, e dall altro, un suffcente grado d mmuntà verso dsturb che possono essere present nell ambente. Tra le pù severe prove d mmuntà rentra quella relatva alle scarche d elettrctà statca (ESD), descrtta dalla norma CENELEC EN 6000-4- [] (equvalente alla norma nternazonale EC 6000-4-). Tal scarche possono dsturbare momentaneamente l normale funzonamento d una apparehatura, dstruggerne alcune part elettronche o degradarla, ad esempo alterando gl element d memora n modo tale da rchedere una procedura d rprstno. generator d scarca elettrostatca smulano tal scarche e dovrebbero stablre un rfermento comune e rproducble per le suddette prove d mmuntà. ecent msure d confronto tra generator d case costruttrc dverse hanno dmostrato che possono esstere notevol dfferenze ne rsultat d prova: ovvamente questo s rflette negatvamente sulle decson che s devono assumere n merto alla conformtà o meno d una apparehatura rspetto a requst rchest dalla drettva EMC. l presente lavoro, nato dalla collaborazone tra PMM e EN, descrve una metodologa per la taratura de generator ESD e valuta le ncertezze d msura ed problem d rferbltà ad essa collegat. Generaltà d un mpulso ESD Lo scopo della norma EN 6000-4- è quello d stablre un rfermento comune e rproducble per la valutazone delle prestazon delle apparehature elettronche quando sono sottoposte a scarche elettrostatche. Essa defnsce la forma d onda tpca della corrente d scarca, la gamma de lvell d prova, le caratterstche del generatore ESD, l allestmento e la procedura d prova. Nella Fgura vene evdenzata una tpca forma d onda della corrente prodotta da un generatore d mpuls ESD. l fne d rendere possble l confronto de rsultat d prova ottenut con dfferent generator, devono essere verfcate le caratterstche rportate nella Tabella per dvers lvell d prova defnt dalla norma. n partcolare è determnante verfcare l valore del prmo po della corrente d scarca, l tempo d salta dell mpulso e l valore della corrente a 30 ns ed a 60 ns.
TTO -07-00 9:33 Pagna 73 Taratura d un generatore d scarche elettrostatche 73 La taratura d un generatore ESD consste pertanto nel msurare parametr sopra menzonat e nel verfcare che ess rentrno nelle tolleranze ndcate nella Tabella. Fg. : ndamento tpco della corrente prodotta da un generatore ESD Tabella Parametr della forma d onda Lvello ndcazone della tensone d scarca (kv) Prmo po della corrente d scarca ( 0%) () Tempo d salta dell mpulso (ns) Corrente a 30 ns ( 30%) () Corrente a 60 ns ( 30%) () (±0%) (±30%) (±30%) 7,5 0,7 4 4 5 0,7 8 4 3 6,5 0,7 6 4 8 30 0,7 6 8 Sstema d msura per la taratura d un generatore ESD Essendo la scarca elettrostatca un segnale ad evento sngolo è necessara una sua acquszone nel domno del tempo con possbltà d memorzzare la forma dell mpulso n modo da poter valutare suessvamente var parametr che lo caratterzzano. l sstema d msura utlzzato per la taratura d un generatore d scarche elettrostatche è schematzzato n Fgura. Esso è costtuto da tre bloh seguent:
TTO -07-00 9:33 Pagna 74 74 Sessone a) l trasduttore d corrente (spesso chamato target ), che è l bersaglo sul quale deve essere posta a contatto dretto la punta dell elettrodo d scarca; esso deve presentare una bassa mpedenza ( Ω) verso l generatore n taratura e una mpedenza d 50 Ω verso lo strumento d msura (osclloscopo) al fne d fornre un segnale proporzonale alla corrente d scarca senza perturbare la scarca stessa. b) L attenuatore e l cavo coassale, che vengono utlzzat per mglorare l adattamento d mpedenza e portare l segnale allo strumento d msura. c) Lo strumento d msura, che è costtuto da un osclloscopo numerco per valutare la forma d onda della corrente d scarca; esso ha le seguent caratterstche: capactà d acqusre event sngol (non rpettv), banda passante d GHz, frequenza d camponamento d 8 Gsample/s, lunghezza del record d memora d 56 kb. C = 50 00 MΩ S = 330 Ω Cs =50 pf = Ω = 48 Ω Fg: : Sstema per la taratura de generator ESD Dallo schema crcutale contenuto nella Fgura s può rcavare l valore della corrente d scarca n funzone de dvers parametr: CC = f (,,, V ms, ) () e pù precsamente: dove + 0 CC = 0 V ms è la tensone msurata sull osclloscopo è l attenuazone, espressa n db, de bloh che precedono l osclloscopo. è l mpedenza msurata all ngresso dell attenuatore da 0 db. V ms () ferbltà metrologca Lo schema della rferbltà metrologca per la taratura d un generatore d scarche elettrostatche è rportato nella Fgura 3. Dall esame dell espressone () che descrve l andamento della corrente d scarca n funzone de dvers parametr, s vede che le grandezze d ngresso rlevant sono: la tensone msurata dall osclloscopo (V ms ), l attenuazone del bloo cav-attenuatore ()
TTO -07-00 9:33 Pagna 75 Taratura d un generatore d scarche elettrostatche 75 e la sua mpedenza ( ), le resstenze (, ) del trasduttore d corrente ( Target ). Pertanto è necessaro asscurare la rferbltà a campon d rfermento della strumentazone utlzzata per msurare tal grandezze. Per quanto rguarda la rferbltà dell osclloscopo s sono segute le ndcazon della guda EL [], che prevede la verfca della deflessone vertcale, della deflessone orzzontale (base temp), della banda passante e del tempo d salta. La rferbltà della deflessone orzzontale e della banda passante è ottenuta attraverso le procedure FE e PE che s rfanno all aredtamento relatvo alle grandezze Frequenza e Potenza F precedentemente conseguto dal laboratoro n ambto ST. Dal momento che l fronte d salta da msurare è nferore ad ns (Fgura ) è necessaro valutare l tempo d salta propro dell osclloscopo, perché questo, asseme alla banda passante, determna l ncertezza assocata alla msura del tempo d salta dell mpulso d scarca. Tale verfca (E) vene pertanto effettuata per mezzo d un generatore d mpuls d caratterstche adeguate tarato da un laboratoro metrologco nazonale. nfne la deflessone vertcale vene controllata per mezzo d un calbratore n tensone contnua attraverso la procedura DE. Fg. 3: Schema della rferbltà metrologca Le caratterstche dell attenuatore e de cav coassal (mpedenza e attenuazone d nserzone) vengono determnate medante una taratura effettuata da un laboratoro aredtato. parametr d nteresse del trasduttore d corrente, descrtto nella norma EN 6000-4-, vengono valutat a partre dalla msura de suo parametr scatterng,
TTO -07-00 9:33 Pagna 76 76 Sessone effettuata da un laboratoro metrologco prmaro. Tal dspostv devono essere caratterzzat su una gamma d frequenze che s estende almeno fno ad GHz. ncertezze d msura Le ncertezze d msura sono state valutate n rfermento alla msura del tempo d salta, del prmo po d corrente e del valore della corrente a 30 e 60 ns. L ncertezza nella msura del tempo d salta dpende essenzalmente dalle caratterstche dell osclloscopo numerco. L osclloscopo utlzzato presenta una funzone d trasfermento d tpo gaussano e pertanto la relazone che lega l suo tempo d salta t ro alla banda passante BW è la seguente: t ro 035, = ( BW) l tempo d salta msurato dall osclloscopo è fornto dalla nota relazone: 3 db (3) t = t +t rm ro rs (4) dove t rs è l tempo d salta del segnale da msurare. Tenendo conto de valor del tempo d salta ndcat nella Tabella e della banda passante dell osclloscopo utlzzato s ottene un contrbuto d ncertezza dovuto al tempo d salta non trascurable dell osclloscopo dell ordne del 4%. Nella valutazone dell ncertezza totale s deve noltre tenere conto de contrbut dovut alla rpetbltà della msura e alla rsoluzone della scala orzzontale dell osclloscopo. Per quanto rguarda la msura de parametr della corrente d scarca, l ncertezza composta vene valutata a partre dalla relazone () secondo la seguente espressone: u ( ) = C u ( ) + C u ( ) + C 3 u ( ) + C 4 u () + C 4 u (V ms ) (5) dove coeffcent d sensbltà sono dat da: C = 0 C C = 0 + 0 3 0 = 0 V ms + ln0 0 C4 = 0 ln0 = 0 Vms 0 C5 0 0 V V + = V ms 0 ms = + = + ms = = V ms (6) (7) (8) (9) (0)
TTO -07-00 9:33 Pagna 77 Taratura d un generatore d scarche elettrostatche 77 Tenendo conto delle ncertezze assocate alle dverse grandezze d ngresso e de relatv coeffcent d sensbltà rsulta preponderante l termne legato alla resstenza. nfatt tale resstenza, d valore nomnale par a Ω, non può essere msurata drettamente ma, facendo parte del trasduttore d corrente, vene valutata per mezzo de parametr scatterng che caratterzzano l trasduttore stesso e che sono ottenut n un sstema d msura a 50 Ω. noltre l valore della resstenza è funzone della frequenza e deve essere conoscuto almeno per frequenze fno ad GHz. Un anals approfondta delle dverse component d ncertezza è attualmente allo studo al fne d ottenere un valore d ncertezza estesa secondo le raomandazon della Guda UN CE 9. Tenendo conto delle consderazon precedent e de prm rsultat spermental s può valutare un ncertezza assocata alla msura de parametr della corrente d scarca dell ordne del 7,5 %. Nel computo dell ncertezza totale s deve tuttava consderare anche l contrbuto dovuto alla rpetbltà delle msure che andrà valutato su base statstca. Concluson rsultat delle msure effettuate nel laboratoro PMM e n altr laborator [3] hanno confermato la notevole varabltà dell mpulso della scarca elettrostatca, soprattutto quando s utlzzano generator ESD d costruttor dvers. È qund partcolarmente mportante effettuare la taratura d quest generator se s voglono ottenere rsultat confrontabl nelle prove d mmuntà alle scarche elettrostatche esegute n laborator dvers. La procedura d taratura e la relatva valutazone dell ncertezza esamnate n questo lavoro permettono d esegure la verfca de dvers parametr d nteresse (tempo d salta, po d corrente, corrente a 30 e 60 ns) con lvell d auratezza compatbl con le tolleranze prescrtte dalla norma EN 6000-4- (Tabella ) e garantendo la necessara rferbltà a campon nazonal. Nell mmedato futuro s dovrà approfondre l anals de dvers contrbut d ncertezza e s dovrà valutare spermentalmente e statstcamente la rpetbltà dell mpulso d scarca. La notevole varabltà d questo mpulso sembra ncdere notevolmente sul valore d ncertezza assocato n partcolar modo alla msura della corrente durante la coda dell mpulso, coè per t = 30 ns e per t = 60 ns (valor d ncertezza anche dell ordne rspettvamente dell 8% e del 6% [3]). Bblografa [] Norma Europea EN 6000-4-, Electromagnetc Compatblty (EMC) - Part 4: Testng and measurement technques - Secton : Electrostatc dscharge mmunty test, CENELEC, Bruxelles, Marzo 995. [] Pubblcazone E-4/0, Calbraton of Osclloscopes, E, Gugno 997 [3] K. Hlty et al.: Calbraton of Electrostatc Dscharge Generators, tt del 8e Congrès nternatonal de Métrologe, Besançon, 0-3 Ottobre 997, pp. 46-466.