Zweck und Ablauf der Prüfung der Immunität gegen elektrostatische Entladung (ESD)

Was ist elektrostatische Entladung (ESD)?

Elektrostatische Entladung (ESD) ist eine der häufigsten Störquellen in elektronischen Geräten. Nach der nationalen Norm GB/T17626.2 (entspricht der internationalen Norm IEC61000-4-2), Prüfung der Immunität gegen elektrostatische Entladung (ESD)ESD-Immunitätsprüfung ist ein wesentlicher Schritt, um sicherzustellen, dass Geräte vor den störenden Auswirkungen elektrostatischer Entladung geschützt sind. ESD tritt natürlich auf und wird häufig beobachtet, wenn Menschen mit Halbleiterbauelementen in Kontakt kommen. Wenn Menschen beispielsweise auf Kunstfaserteppichen laufen, kann die Reibung zwischen Schuhen und Teppich zu einer Ansammlung elektrischer Ladungen am Körper führen, was zu elektrostatischer Entladung führt. Eine solche Entladung kann Spannungen von bis zu 15 kV erzeugen, wobei die Stromimpulswellenformen Anstiegszeiten zwischen 100 ps und 30 ns aufweisen.

Warum sollten elektrostatische Entladungstests durchgeführt werden?

Elektroingenieure haben herausgefunden, dass elektrostatische Entladungen möglicherweise zum Zusammenbruch von Halbleitermaterialien führen können, was zu irreparablen Schäden an Geräten führt. Darüber hinaus können elektrostatische Entladungen und daraus resultierende Änderungen elektromagnetischer Felder Risiken für den normalen Betrieb elektronischer Geräte darstellen. Durch Tests zur Immunität gegen elektrostatische Entladungen kann die Widerstandsfähigkeit von Geräten gegen elektrostatische Entladungen beurteilt und so ihre Zuverlässigkeit und Stabilität im praktischen Einsatz sichergestellt werden.

Zu den Hauptzwecken von Prüfungen auf elektrostatische Entladung gehören:

Beurteilung der Widerstandsfähigkeit von Geräten gegen elektrostatische Entladung: Durch die Simulation von Szenarien, in denen Menschen mit Geräten im geladenen Zustand interagieren, wird bei der Prüfung auf elektrostatische Entladung ermittelt, ob Geräte externen Störungen durch elektrostatische Entladung wirksam standhalten können.
Testen der Gerätestabilität und -zuverlässigkeit: Durch Tests wird die Leistung von Geräten bei elektrostatischen Entladungsstörungen bewertet, um ihre Stabilität und Zuverlässigkeit im realen Einsatz sicherzustellen.

Der Testprozess für elektrostatische Entladung umfasst typischerweise die folgenden Schritte:

• Einstellen der Prüfbedingungen: Parameter wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur werden entsprechend den Normanforderungen eingestellt.
• Simulation der Aufladung des menschlichen Körpers: Durch spezielle Reibungsmethoden werden elektrische Ladungen im menschlichen Körper induziert und so die Einhaltung der Prüfanforderungen sichergestellt.
• Gerätekontaktprüfung: Der aufgeladene menschliche Körper wird mit dem zu prüfenden Gerät in Kontakt gebracht und alle auftretenden elektrostatischen Entladungen und ihre möglichen Auswirkungen werden beobachtet und aufgezeichnet.
• Ergebnisauswertung: Die Testergebnisse werden ausgewertet, um die Widerstandsfähigkeit des Geräts gegen elektrostatische Entladung zu beurteilen und die Konformität mit den Standardanforderungen zu ermitteln.

Durch Tests zur Immunität gegen elektrostatische Entladungen lassen sich mögliche Probleme von Geräten, die durch elektrostatische Entladungen entstehen können, frühzeitig erkennen. So können geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Gerätestabilität und -zuverlässigkeit ergriffen werden.

Der Immunitätstest gegen elektrostatische Entladung (ESD) simuliert zwei Szenarien:

• Direkte Entladung: Wenn Personal das Gerät direkt berührt, kommt es zu einer Entladung und deren Auswirkungen auf den Betrieb des Geräts.
• Indirekte Entladung: Wenn Personal in der Nähe befindliche Geräte berührt und dadurch das Testgerät beeinträchtigt wird.

Zu den Folgen elektrostatischer Entladung gehören:

Eine direkte Entladung kann zur Beschädigung von Halbleiterbauelementen im Gerät und damit zu einem dauerhaften Ausfall führen.
Entladungen (unabhängig davon, ob direkt oder indirekt) können Änderungen im elektromagnetischen Nahfeld verursachen und so möglicherweise zu einem unbeabsichtigten Betrieb des Geräts führen.

Zu den Entlademethoden gehören:

• Direkte Entladung: Die Kontaktentladung ist die bevorzugte Form. Die Luftspaltentladung wird nur dann verwendet, wenn eine Kontaktentladung nicht möglich ist, z. B. wenn sich auf Oberflächen Isolierschichten befinden oder Lücken in Computertastaturen vorhanden sind.
• Indirekte Entladung: Dazu gehören die horizontale Kopplung (HCP) und die vertikale Kopplung (VCP).

Die Immunitätsprüfung gegen elektrostatische Entladung (ESD) bewertet die Widerstandsfähigkeit des Geräts gegen elektrostatische Entladung durch Simulation dieser Entladungsmethoden und -szenarien und analysiert mögliche Auswirkungen, um die Zuverlässigkeit und Stabilität des Geräts während des tatsächlichen Einsatzes sicherzustellen. Die Präferenz für Kontaktentladung als primäre Entladungsmethode rührt von Mängeln her, die bei der Implementierung des Vorgängers des IEC61000-4-2-Standards, des IEC801-2-Standards, aufgedeckt wurden. Der IEC801-2-Standard verwendete ausschließlich Luftspaltentladung, aber bei seiner Implementierung traten Probleme hinsichtlich Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit auf.

Die Hauptgründe für diese Probleme sind verschiedene Einschränkungen der Entladestromwellenform der Luftspaltentladung, wie etwa die Geschwindigkeit, mit der sich die Entladeelektroden dem zu testenden Gerät nähern, der Einfluss der Oberflächenform des Geräts auf die Verteilung der elektrischen Feldstärke, Umgebungsfaktoren (wie Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck) und die Auswirkung der Entladespannung auf das Stromwellenformspektrum. Darüber hinaus genügten die Messinstrumente damals diesen Anforderungen nicht, wie etwa Oszilloskope, denen die Bandbreite fehlte, um Wellenformen mit Anstiegszeiten von bis zu 1 ns zu beobachten.

Um die Nachteile der Luftspaltentladung bei den Testergebnissen zu beheben, wurden im Entwurf des IEC1991-801-Standards von 2 Korrekturen vorgenommen und entschieden, der Kontaktentladung Priorität einzuräumen. Die Luftspaltentladung wurde jedoch weiterhin für die Prüfung von Geräten mit nichtleitenden Oberflächen (wie Kunststoffgehäusen oder mit Isoliermaterialien beschichteten Metallgehäusen) beibehalten. Diese Entscheidung blieb bis zur Veröffentlichung des IEC61000-4-2-Standards bestehen.

Zu den experimentellen Inhalten der Prüfung auf elektrostatische Entladung gehören:

• Klärung des typischen Betriebszustands des zu testenden Geräts, einschließlich seiner Funktionen, Leistung und Betriebsarten.
• Festlegen, ob das zu testende Gerät als Tischgerät oder als Standgerät getestet wird, um sicherzustellen, dass der Testvorgang die tatsächlichen Arbeitsbedingungen widerspiegelt.
• Identifizieren der Stellen, an denen statische Elektrizität angewendet wird, einschließlich kritischer Teile und Schnittstellenpositionen des zu testenden Geräts.
• Festlegen, ob an jedem Anwendungsstandort Kontaktentladung oder Luftspaltentladung verwendet wird, um mögliche Szenarien elektrostatischer Entladung in tatsächlichen Arbeitsumgebungen zu simulieren.
• Bestimmen der Stufe (1 bis 4 und optional offene Stufen) zum Testen des Produkts basierend auf den Anforderungen des Kunden oder Herstellers.
• Bei Konformitätsprüfungen ist die Anzahl der Entladungen an jedem Einsatzort anzugeben, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse sicherzustellen.

Die Ergebnisse von Tests zur Immunität gegen elektrostatische Entladungen sollten basierend auf dem Funktionsverlust oder der Leistungsverschlechterung des getesteten Geräts klassifiziert werden. Die relevanten Leistungsstufen werden vom Gerätehersteller, dem Testauftraggeber oder zwischen Hersteller und Käufer des Produkts einvernehmlich festgelegt.

Es wird empfohlen, wie folgt zu klassifizieren:

Stufe A: Die Leistung ist innerhalb der vom Hersteller, Testanforderer oder Käufer angegebenen Grenzen normal.
Stufe B: Vorübergehender Verlust oder Verringerung der Funktionalität oder Leistung, die sich jedoch nach Beendigung der Störung von selbst erholen kann, ohne dass ein Eingriff des Bedieners erforderlich ist.
Stufe C: Vorübergehender Verlust oder Verringerung der Funktionalität oder Leistung, für deren Wiederherstellung ein Eingriff des Bedieners erforderlich ist.
Stufe D: Dauerhafter Funktionsverlust oder Leistungseinbuße aufgrund von Hardware- oder Softwareschäden oder Datenverlust.

Die Klassifizierung wird anhand der tatsächlichen Situation des Geräts und der Anforderungen des Herstellers bestimmt, um eine genaue Beurteilung der Widerstandsfähigkeit des Geräts gegen elektrostatische Entladung zu gewährleisten.

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