Súng mô phỏng ESD: Ứng dụng và nghiên cứu kỹ thuật trong thử nghiệm khả năng miễn nhiễm ESD của thiết bị điện và điện tử

Tóm tắt
Được thúc đẩy bởi công nghệ số và thông minh, thiết bị điện và điện tử đang phát triển nhanh chóng theo hướng tích hợp cao và tiêu thụ điện năng thấp, và độ nhạy của chúng với nhiễu tĩnh điện (ESD) đã tăng lên đáng kể. Là một nguồn nhiễu điện từ phổ biến đối với thiết bị điện tử, ESD có thể gây ra sự cố thiết bị, mất dữ liệu hoặc thậm chí hư hỏng phần cứng. Do đó, thử nghiệm khả năng miễn nhiễm ESD đã trở thành một mắt xích quan trọng trong việc xác minh độ tin cậy của sản phẩm. Bài báo này xem xét LISUN ESD61000-2 Súng giả lập ESD Với tư cách là đối tượng nghiên cứu, chúng tôi trình bày một cách có hệ thống cấu trúc kỹ thuật, chức năng cốt lõi và việc tuân thủ tiêu chuẩn, đồng thời phân tích sâu sắc nguyên lý kỹ thuật của thiết bị trong việc tái tạo chính xác các xung ESD và cung cấp các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn. Kết hợp với dữ liệu thử nghiệm thực tế và các tình huống ứng dụng đa ngành, độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị trong việc đánh giá khả năng miễn nhiễm ESD của thiết bị điện và điện tử đã được kiểm chứng. Kết quả nghiên cứu cho thấy LISUN ESD61000-2 Súng mô phỏng ESD có thể đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn quốc tế và trong nước như GB/T 17626.2 (IEC/EN 61000-4-2), cung cấp giải pháp kiểm tra chuyên nghiệp cho hoạt động nghiên cứu và phát triển thiết bị điện tử, kiểm tra chất lượng nhà máy và chứng nhận của bên thứ ba. Sản phẩm có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định trong các tình huống nhiễu ESD.

1. Giới thiệu
Phóng tĩnh điện (ESD) là một hiện tượng nhiễu điện từ phổ biến trong tự nhiên. Khi một vật tích điện tiếp xúc hoặc tiếp cận thiết bị điện tử, nó sẽ ngay lập tức giải phóng một lượng điện tích lớn, tạo thành dòng điện xung (với giá trị cực đại lên đến hàng chục ampe và thời gian tăng chỉ 0.6-1 ns), gây ra tác động điện từ lên các chip và mạch bên trong thiết bị. Theo thống kê của ngành, khoảng 25% sự cố thiết bị điện tử là do ESD gây ra. Trong số đó, các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng và điện tử ô tô có nguy cơ nhiễu ESD cao hơn do tính tích hợp cao của thiết bị. Ví dụ, các sự cố như màn hình điện thoại thông minh không chạm được và hệ thống định vị trên xe bị hỏng phần lớn liên quan đến các rối loạn mạch tức thời do ESD gây ra.

Để chuẩn hóa quy trình thử nghiệm khả năng miễn nhiễm ESD, Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC) đã ban hành IEC 61000-4-2 Tiêu chuẩn GB/T 17626.2 của Trung Quốc đã được ban hành, trong đó yêu cầu sử dụng thiết bị chuyên dụng để mô phỏng các kịch bản ESD ở các cấp độ khác nhau nhằm đánh giá hiệu suất miễn nhiễm của thiết bị. Thiết bị kiểm tra ESD truyền thống có những vấn đề như thông số xung phóng điện không ổn định, chế độ kiểm tra đơn lẻ và khả năng tương thích kém, gây khó khăn cho việc đáp ứng nhu cầu kiểm tra đa dạng sản phẩm. ESD61000-2 loạt Súng mô phỏng ESD được phát triển bởi LISUN Được thiết kế để đáp ứng nhu cầu kiểm tra khả năng miễn nhiễm tĩnh điện (ESD) của thiết bị điện và điện tử. Sử dụng mô-đun điện trở phóng điện (RC) có độ chính xác cao và công nghệ điều khiển thông minh, chúng có thể tái tạo chính xác nhiều tình huống xung ESD khác nhau như phóng điện không khí và phóng điện tiếp xúc, với dải điện áp đầu ra từ 0.1-30 kV, đáp ứng nhu cầu kiểm tra của ngành điện tử tiêu dùng, điện tử ô tô, điều khiển công nghiệp và các lĩnh vực khác. Bài báo này sẽ phân tích toàn diện giá trị kỹ thuật và giá trị ứng dụng công nghiệp của sản phẩm. LISUN ESD61000-2 Súng mô phỏng ESD từ bốn khía cạnh: nguyên lý kỹ thuật của thiết bị, hiệu suất tham số cốt lõi, tình huống ứng dụng và tuân thủ tiêu chuẩn.

2. Kiến trúc kỹ thuật và các nguyên tắc chức năng cốt lõi của LISUN ESD61000-2 Súng giả lập ESD
2.1 Thiết kế kiến ​​trúc kỹ thuật
LISUN ESD61000-2 Súng mô phỏng ESD áp dụng khái niệm thiết kế "mô-đun + tích hợp", được chia thành năm hệ thống cốt lõi. Mỗi hệ thống hoạt động phối hợp để tạo ra xung ESD chính xác và kiểm soát thông minh quá trình thử nghiệm:
• Hệ thống phát và điều chỉnh điện áp cao: Bao gồm mô-đun nguồn điện áp cao tần số cao và mạch phản hồi điện áp, có thể thực hiện điều chỉnh điện áp liên tục từ 0.1-20 kV (ESD61000-2) và 0.1-30 kV (ESD61000-2A/2C), với độ chính xác điện áp được kiểm soát trong phạm vi ±5%. Thông qua cơ chế phản hồi vòng kín, hệ thống này theo dõi điện áp đầu ra theo thời gian thực và hiệu chỉnh động, tránh độ lệch điện áp do biến động lưới điện hoặc thay đổi tải, đồng thời đảm bảo tính ổn định của năng lượng ESD.
• Mô-đun Điện trở-Điện dung Phóng điện (RC): Là thành phần cốt lõi để mô phỏng dạng sóng xung ESD, ESD61000-2 được trang bị mô-đun 330Ω/150pF tiêu chuẩn (đáp ứng các yêu cầu của IEC 61000-4-2 tiêu chuẩn), trong khi ESD61000-2A/2C cung cấp bốn mô-đun có thể thay thế, chẳng hạn như 150pF/330Ω và 150pF/2000Ω. Các thông số RC có thể được chuyển đổi theo các tiêu chuẩn thử nghiệm (như GB/T 17626.2 cho điện tử thông thường và GB/T 19951 cho điện tử ô tô) để tái tạo xung ESD trong các tình huống khác nhau. Ví dụ, 330Ω/150pF được sử dụng để mô phỏng ESD cơ thể người, và 2000Ω/150pF được sử dụng để mô phỏng ESD vỏ thiết bị.
• Hệ thống điện cực xả và kích hoạt: Được trang bị điện cực nhọn (để xả tiếp xúc) và điện cực tròn (để xả không khí). ESD61000-2C còn được trang bị thêm điện cực tròn lớn đường kính 30mm để đáp ứng nhu cầu phóng điện của các đối tượng thử nghiệm khác nhau: phóng điện tiếp xúc phù hợp với vỏ dẫn điện hoặc bề mặt kim loại (chẳng hạn như khung kim loại ở giữa của điện thoại thông minh), và phóng điện không khí phù hợp với bề mặt cách điện (chẳng hạn như vỏ nhựa). Chế độ kích hoạt hỗ trợ thủ công (phóng điện một lần) và tự động (phóng điện liên tục, với tần suất 0.05-99.99 giây/lần phóng), đáp ứng nhu cầu kép của thử nghiệm hàng loạt và thử nghiệm chính xác tại một điểm.
• Hệ thống Điều khiển và Ghi dữ liệu: Được trang bị màn hình LCD hỗ trợ tiếng Trung và tiếng Anh, thiết bị hỗ trợ nhiều chức năng kiểm tra như kiểm tra đơn lẻ, kiểm tra đếm (1-9999 lần), kiểm tra mức IEC (tự động chuyển đổi giữa các mức 1-4) và chế độ lập trình (tùy chỉnh điện áp, thời gian và khoảng thời gian). Thiết bị có thể ghi lại dữ liệu theo thời gian thực như số lần phóng điện, giá trị điện áp và trạng thái lỗi, đồng thời tạo báo cáo chuẩn hóa sau khi kiểm tra, giúp truy xuất và phân tích dữ liệu dễ dàng hơn.
• Hệ thống bảo vệ an toàn: Tích hợp bảo vệ quá dòng điện cao áp, bảo vệ rò rỉ và nút dừng khẩn cấp. Khi thiết bị có điện áp bất thường hoặc rò rỉ, thiết bị sẽ tự động ngắt nguồn điện cao áp; thân thiết bị được bọc vật liệu cách điện, và biển báo cảnh báo an toàn được đặt tại khu vực điện cực xả để ngăn người vận hành vô tình chạm vào các linh kiện điện áp cao, đảm bảo an toàn cho quá trình thử nghiệm.

2.2 Nguyên lý chức năng cốt lõi: Tái tạo chính xác các xung ESD
Cốt lõi của thử nghiệm khả năng miễn dịch ESD là mô phỏng dạng sóng dòng điện xung trong các quá trình ESD thực tế. LISUN ESD61000-2 thực hiện việc tạo ra dạng sóng xung đạt tiêu chuẩn thông qua công nghệ “Sạc và xả RC + hiệu chuẩn dạng sóng”. Nguyên lý cụ thể như sau:
• Giai đoạn sạc: Bộ nguồn cao áp sạc tụ điện lưu trữ năng lượng (ví dụ: 150pF) thông qua điện trở giới hạn dòng điện cho đến khi điện áp tụ điện đạt đến giá trị cài đặt (ví dụ: ±8 kV). Quá trình sạc được theo dõi bởi mạch phản hồi điện áp để đảm bảo độ lệch giữa điện áp tụ điện và giá trị cài đặt không vượt quá ±5%.
• Giai đoạn xả: Tín hiệu kích hoạt sẽ kích hoạt công tắc xả, tụ điện lưu trữ năng lượng sẽ xả nhanh qua điện trở xả (như 330Ω) và điện cực để tạo thành dòng xung tức thời. Thời gian tăng dòng điện được kiểm soát trong vòng 0.6-1 ns (đáp ứng các yêu cầu của IEC 61000-4-2 tiêu chuẩn), và dòng điện cực đại thay đổi theo điện áp (ví dụ, dòng điện cực đại là khoảng 29.4 A ở 8 kV).
• Hiệu chuẩn dạng sóng: Trước khi xuất xưởng, thiết bị được hiệu chuẩn CNAS của bên thứ ba (sử dụng bộ hiệu chuẩn ESD-CALA) để hiệu chuẩn dạng sóng dòng điện xung (dòng điện đỉnh đầu tiên, dòng điện ở 30 ns/60 ns và thời gian biên trước) ở các điện áp khác nhau, đảm bảo các thông số dạng sóng đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn. Ví dụ, khi xả ở điện áp dương 8 kV, dòng điện đỉnh đầu tiên phải đạt 29.4 A ± 10%, dòng điện ở 30 ns phải duy trì ở 16.2 A ± 15% và dòng điện ở 60 ns phải ổn định ở 9.3 A ± 20%, nhằm đảm bảo tính so sánh và độ lặp lại của kết quả thử nghiệm.

3. Hiệu suất tham số và các giải pháp hỗ trợ của LISUN ESD61000-2 Súng giả lập ESD
3.1 So sánh thông số cốt lõi và dữ liệu hiệu chuẩn
LISUN ESD61000-2 Dòng sản phẩm bao gồm ba mẫu: ESD61000-2, ESD61000-2Avà ESD61000-2C. Mỗi model khác nhau về dải điện áp, mô-đun RC và các tiêu chuẩn áp dụng, và có thể thích ứng với nhu cầu thử nghiệm của các ngành công nghiệp khác nhau. Các bảng sau đây thể hiện sự so sánh các thông số cốt lõi của dòng model này và dữ liệu hiệu chuẩn của chúng. ESD61000-2:
Bảng 1 So sánh các thông số cốt lõi của LISUN ESD61000-2 Loạt Sách

Bảng 2 Dữ liệu hiệu chuẩn của LISUN ESD61000-2 Súng mô phỏng ESD (Báo cáo CNAS của bên thứ ba)

Có thể thấy từ dữ liệu hiệu chuẩn rằng các thông số dòng xung của ESD61000-2 Ở các điện áp và cực tính khác nhau, tất cả đều đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn GB/T 17626.2. Độ lệch của dòng điện đỉnh đầu tiên nhỏ hơn ±5% và thời gian cạnh trước ổn định ở mức 0.89-0.97 ns, chứng tỏ khả năng tái tạo xung ESD chính xác.

3.2 Giải pháp kiểm tra hỗ trợ
Để đảm bảo môi trường thử nghiệm đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn, LISUN cung cấp ba loại thiết bị hỗ trợ, hoạt động cùng với ESD61000-2 Bộ súng mô phỏng ESD để xây dựng một hệ thống thử nghiệm khả năng miễn nhiễm ESD hoàn chỉnh:
• Bàn thử nghiệm ESD-DESK: Được thiết kế theo yêu cầu của GB/T 17626.2, sản phẩm bao gồm một bàn thử nghiệm 1600 x 800 x 800 mm, một tấm tiếp địa kim loại tham chiếu (2800 x 1800 mm), các tấm ghép nối ngang/dọc (mô phỏng các thành phần kim loại xung quanh thiết bị) và các miếng đệm cách điện (ngăn mẫu tiếp địa). Sản phẩm có thể mô phỏng môi trường tiếp địa và hiệu ứng ghép nối điện từ trong các tình huống sử dụng thực tế, phù hợp để thử nghiệm các thiết bị điện tử thông thường như điện thoại thông minh, máy tính và bộ định tuyến.
• Bộ hiệu chuẩn súng ESD ESD-CALA: Được sử dụng để hiệu chuẩn thường xuyên các thông số dạng sóng xung của súng mô phỏng ESD, bao gồm đế gắn mục tiêu, mục tiêu hiệu chuẩn cho súng ESD, bộ suy giảm 20 dB để kết nối máy hiện sóng và mục tiêu, cùng với cáp. Dạng sóng dòng điện trên mục tiêu được thu thập bởi máy hiện sóng, và dạng sóng chuẩn được so sánh để xác định xem thiết bị có cần điều chỉnh hay không, đảm bảo độ tin cậy lâu dài của dữ liệu thử nghiệm.
• Tấm ghép nối ESD hiện trường cho thiết bị điện tử ô tô ESD-FCP: Được thiết kế cho nhu cầu thử nghiệm thiết bị điện tử ô tô (theo GB/T 19951-2019), bao gồm một tấm ghép nối bằng đồng thau 300*600 mm, một băng ghép nối rộng 40 mm và một đảo xả đường kính 80 mm. Sản phẩm mô phỏng quá trình ghép nối ESD giữa các thiết bị điện tử (như thiết bị dẫn đường và bộ sạc trên xe) và thân xe trong môi trường trên xe, và phù hợp với ESD61000-2Mô hình C.

4. Các kịch bản ứng dụng công nghiệp của LISUN ESD61000-2 Súng giả lập ESD
4.1 Lĩnh vực điện tử tiêu dùng: Kiểm tra khả năng miễn nhiễm ESD của điện thoại thông minh
Là thiết bị điện tử có độ tích hợp cao, điện thoại thông minh dễ bị nhiễu ESD ở các bộ phận như màn hình, nút bấm và cổng sạc và cần phải vượt qua IEC 61000-4-2 Thử nghiệm cấp độ 3 (xả khí 15 kV, xả tiếp xúc 8 kV). Một nhà sản xuất điện thoại thông minh đã sử dụng LISUN ESD61000-2A Súng mô phỏng ESD để thử nghiệm:
• Đối tượng thử nghiệm: Điện thoại thông minh hoàn chỉnh (bao gồm khung kim loại ở giữa và màn hình kính);
• Kế hoạch thử nghiệm: Xả tiếp xúc (khung giữa bằng kim loại, cổng sạc) với điện áp 8 kV, 10 lần xả cho mỗi cực dương/âm; Xả không khí (màn hình kính, nút nhựa) với điện áp 15 kV, 10 lần xả cho mỗi cực dương/âm;
• Kết quả kiểm tra: Các mẫu đạt yêu cầu không bị treo hay khởi động lại trong quá trình kiểm tra, chức năng cảm ứng hoạt động bình thường; các mẫu không đạt yêu cầu (chip điều khiển màn hình của một lô sản phẩm nhất định không có chức năng chống tĩnh điện) bị nhấp nháy màn hình khi phóng điện qua không khí 12 kV. Sau đó, bằng cách bổ sung diode chống tĩnh điện TVS, thiết bị đã vượt qua bài kiểm tra 15 kV và đáp ứng các yêu cầu tiếp cận thị trường.

4.2 Lĩnh vực điện tử ô tô: Thử nghiệm hệ thống định vị trên xe
Thiết bị điện tử ô tô phải tuân thủ tiêu chuẩn GB/T 19951 (ISO 10605), và các yêu cầu thử nghiệm nghiêm ngặt hơn (chẳng hạn như tăng số lần phóng điện và phương pháp ghép nối phức tạp). Một doanh nghiệp điện tử ô tô đã sử dụng ESD61000-2Tấm ghép nối C + ESD-FCP để kiểm tra hệ thống dẫn đường trên xe:
• Kịch bản thử nghiệm: Mô phỏng sự kết nối ESD giữa thiết bị dẫn đường và thân xe trong quá trình xe hoạt động, sử dụng phương pháp kết nối điện trường (áp dụng ESD thông qua tấm kết nối ESD-FCP);
• Thông số thử nghiệm: Điện áp 12 kV, 50 lần phóng điện, khoảng thời gian 1 giây, cực tính xen kẽ;
• Xác minh chính: Trong quá trình thử nghiệm, thiết bị dẫn đường phải duy trì chức năng dẫn đường và phát giọng nói bình thường, không bị mất dữ liệu hoặc giao diện bị đóng băng. Một mẫu nhất định đã bị gián đoạn tín hiệu GPS trong quá trình phóng điện 10 kV do tiếp địa PCB kém. Sau khi tối ưu hóa thiết kế tiếp địa, thiết bị đã vượt qua bài kiểm tra 12 kV.

4.3 Lĩnh vực điều khiển công nghiệp: Kiểm tra bộ điều khiển PLC
Thiết bị điều khiển công nghiệp (như PLC và bộ biến tần) cần phải chịu được nhiễu ESD cao trong môi trường công nghiệp. Một doanh nghiệp tự động hóa đã sử dụng ESD61000-2 để kiểm tra bộ điều khiển PLC:
• Các bộ phận kiểm tra: Nút bảng điều khiển PLC (xả tiếp điểm 6 kV), vỏ (xả không khí 10 kV), giao diện truyền thông (xả tiếp điểm 6 kV);
• Tiêu chuẩn thử nghiệm: IEC 61000-4-2 Mức 4 (mức cao nhất dành cho môi trường công nghiệp);
• Kết quả kiểm tra: Các PLC đạt chuẩn vẫn có thể nhận/gửi lệnh điều khiển bình thường sau khi kiểm tra, không có sai lệch về tín hiệu đầu ra; Các PLC không đạt chuẩn bị gián đoạn giao tiếp trong quá trình phóng điện tiếp xúc 6 kV do giao diện giao tiếp không được bảo vệ. Sau đó, bằng cách bổ sung lớp che chắn và mạch bảo vệ ESD, hiệu suất miễn nhiễm của thiết bị đã được cải thiện.

5. Tuân thủ tiêu chuẩn và xác minh hiệu suất của LISUN ESD61000-2 Súng giả lập ESD
5.1 Tuân thủ Tiêu chuẩn
LISUN ESD61000-2 Dòng súng mô phỏng ESD tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn có thẩm quyền trong nước và quốc tế để đảm bảo tính phổ quát và công nhận của kết quả thử nghiệm:
• Tiêu chuẩn điện tử chung: GB/T 17626.2-2018 “Khả năng tương thích điện từ – Kỹ thuật thử nghiệm và đo lường – Thử nghiệm khả năng miễn nhiễm phóng tĩnh điện”, IEC/EN 61000-4-2:2008, bao gồm thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị công nghệ thông tin, thiết bị gia dụng và các lĩnh vực khác;
• Tiêu chuẩn điện tử ô tô: GB/T 19951-2019 “Xe cơ giới – Điều kiện môi trường và thử nghiệm cho thiết bị điện và điện tử – Phần 2: Tải điện”, ISO 10605:2023, áp dụng cho thiết bị điện tử trên xe, cọc sạc và các sản phẩm khác;
• Tiêu chuẩn hiệu chuẩn: Đạt hiệu chuẩn của bên thứ ba được CNAS công nhận, phù hợp với JJF 1597-2016 “Thông số kỹ thuật hiệu chuẩn cho súng mô phỏng ESD”, đảm bảo rằng các thông số thiết bị đáp ứng các yêu cầu về khả năng truy xuất số lượng.

5.2 Xác minh hiệu suất
Để xác minh tính ổn định thử nghiệm của ESD61000-2, cùng một thiết bị đã được sử dụng để tiến hành 10 lần thử nghiệm lặp lại trên mẫu thử ESD tiêu chuẩn (tấm kim loại) (xả tiếp xúc 8 kV, cực tính dương). Kết quả như sau:

Dữ liệu cho thấy độ lệch tham số của 10 lần thử nghiệm nhỏ hơn ±0.5%, điều này chứng tỏ rằng ESD61000-2 có khả năng lặp lại thử nghiệm tuyệt vời và có thể tránh được sai sót do dao động của thiết bị.

6. Kết luận
Thông qua khả năng kiểm soát điện áp có độ chính xác cao, các mô-đun RC có thể thay thế và các chức năng kiểm tra đa chế độ, LISUN ESD61000-2 Súng giả lập ESD Giải quyết những điểm yếu của thiết bị truyền thống như “dạng sóng không chính xác, kịch bản đơn lẻ và thao tác phức tạp”, đồng thời cung cấp giải pháp chuẩn hóa và độ tin cậy cao cho việc kiểm tra khả năng miễn dịch tĩnh điện (ESD) của thiết bị điện và điện tử. Ứng dụng của giải pháp này trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, điện tử ô tô, điều khiển công nghiệp và các lĩnh vực khác không chỉ giúp doanh nghiệp xác định điểm yếu bảo vệ ESD của sản phẩm mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng hỗ trợ sản phẩm đạt các chứng nhận quốc tế (như CE, FCC, CQC). Giải pháp này có ý nghĩa to lớn trong việc nâng cao độ tin cậy của thiết bị điện tử và đảm bảo an toàn cho người dùng.