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新しい ESD 規格と試験機器要求への影響

by Nicholas Wright, EMC Partner AG

翻訳: T.Sato

要約

IEC 61000-4 シリーズの規格は、 電気／電子機器のイミュニティとエミッションの試験のための 基本的なフレームワークを形成する。 それらは、欧州連合内で販売される電気／電子製品の CE 適合試験に用いられる EN 規格の基礎である。 比較的安定していた期間の後で、基本規格の信頼できる適用を改善し、 試験がどこで行なわれたとしても同一の結果が得られることを 確かとするように企てられた変更が導入されている。

多くの変更は試験機器の校正手続きに関係する。 サージ規格、IEC 61000-4-5 は、第2版で、 様々な電流定格の結合／減結合回路網 (CDN) を通して印加する時の インパルス性能を改めるように改訂された。 電気的ファスト・トランジェント (EFT) 規格、IEC 61000-4-4 も CDN と共に用いる時の校正要求の変更の観点から調査されており、 静電気放電 (ESD) 規格、IEC 61000-4-2 は 測定の不確かさの適用と不合格基準の見直しで先陣を切っている。

これらの変更は試験手続きや方法論には直接影響しないが、 使用される試験機器はより厳しい精査の対象となっている。 ESD 現象は、おそらくは、 特徴付けやモデル化が最も込み入った EMC 現象である。 IEC は ESD での長年にわたる経験を集約しており、 今、現在のテクノロジを反映させるために規格を更新している。 これらの変更の過程の中での１つの目的は、 ESD 試験の信頼性を向上させることである。 これらの改善の結果の１つは、発生器の校正と試験の時間の増加である。

序論

ご存じない方のために言っておくと、 静電気放電 (ESD) は歴史そのものと同じくらい古い現象である。 寒くて乾燥した気候においては特に、ESD 事象は極めてありふれている。 冬に車から降りようとして「ショック」を受けたことのない人はいるだろうか？ そのエネルギーは非常に小さいので、 不愉快ではあるものの、ESD は人にとって危険ではない。 Figure 1 は他の電磁 (EM) 事象との関係のもとで ESD を俯瞰する。

Figure 1
Figure 1: トランジェントの概観


ESD に関する国際規格

IEC61000-4-2 [1] は、静電気放電に曝された電気／電子機器に対する イミュニティ要求と試験方法に関係する。 この規格は以下のことを規定する：

この規格の目的は、静電気放電に曝された時の電気／電子機器の性能の評価のための、 共通で再現可能な基礎を確立することである。 この規格は長年用いられており、1991年からの IEC801-2 [2] が進化したものである。 現代的な測定方法と過去30年にわたって得られた経験のもと、 変更が提案され、2008年に採択された。

IEC 61000-4-2 の改訂の理由

今日、使用可能な機器と現行の試験規格を用いて、 どのタイプのシミュレータを用いるかによって 任意の EUT が合格となったり不合格となったりすることがわかっている。 また、GHz の範囲で動作する新しい高速テクノロジも用いられている。

ESD 規格に対する責任を持つメンテナンス・チーム (MT12) は、 以下の変更を提案する委員会草案 (CD) [3] を発行した：

古き良き時代

Figure 1
Figure 2: アナログ ESD 測定

全てがハイテクとなる前、ESD は単純な事項であった。

当時のアナログ・オシロスコープ上に 「魔法のように」 (そして思いがけず) 現れた 規定された波形に似たものは受け入れられるものであり、 誰もその逆を証明しようとすることはできなかった。

だが、テクノロジは変化を続け、デジタル・オシロスコープの出現と共に、 帯域幅は向上している。おっと！ 突然、我々の ESD はもはやそれほど良く見えなくなる。 これらの進化の考慮、 そして ESD 試験結果が場所によって変わるようであるという観点は、 標準化組織にさらに調査を行なわせることになった。

ラウンドロビン試験の波形

Figure 3
Figure 3: 既存のシミュレータ

Figure 4
Figure 4: 変更されたシミュレータ

Figure 5
Figure 5: ラウンドロビンの結果

その状況の改善のために様々な「対策」が提案された。

その１つは、波形の許容差を変更し、より厳しい限界内に波形を管理して 高周波のリンギングをなくそうとすることであった。

さらに、既存の、また変更されたシミュレータを用いて、 世界の異なる場所での、6台の EUT のラウンド・ロビン・テストが行なわれた。

問題は、相関を見出すことができなかったことである。 まず、EUT は、標準的な ESD 試験レベルに曝された時に障害を示さなかった。 一部の EUT は障害を示させるために変更しなければならなかった。 ESD シミュレータの機種の違いの結果として大きな変動が観察された。 だが、変更されたシミュレータは、 変更されていない発生器と比較して結果の変動の改善を示さなかった。 特に、電流、電界、あるいは周波数に関係するパラメータと EUT 障害レベルとのあいだの直接的な相関は見出されなかった。 最後の「棺の釘」として、 同一の製造業者の ESD シミュレータのあいだで試験結果の変動が観察された！

試験結果の変動とエスカレーション戦略

その差を説明する決定的な原因を同定できなかったので、 全試験プロセスに対して新たなアプローチを採用しなければならなかった。 これは以下のステップを伴う：
  1. 試験セットアップの検証； それぞれのケーブルの位置と EUT の状態 (カバー、ドアなど) を含む、 全ての細部の検査。

  2. EUT の動作モード、周辺機器の位置と配置、オペレータの位置、 ソフトウェアの状態、EUT への放電の印加を含む、試験手続きの検証。

  3. 試験発生器の検証； それは正しく動作しているか？ それは最後にいつ校正されたか？ それは仕様の範囲内で動作しているか？ 異なる発生器の使用に伴って試験結果が異なるか？

ESD シミュレータに起因する試験結果の変動

もし ESD シミュレータのために試験結果が変化するならば、 以下の手続きを適用する：
  1. 試験結果の差が異なる ESD 発生器の使用によって引き起こされているならば、 この規格への適合の立証のために、 IEC 61000-4-2 ed.2 の6項の要求に適合する任意の発生器での結果を使用できる。

  2. 注意: この規格への適合の上では、EUT に対してより攻撃的でない ESD 発生器によって与えられた結果のみを考慮すれば充分である。 EUT 品質／信頼性と顧客満足の上では、 EUT に対してより攻撃的な ESD 発生器のもとで EUT がエラーのない性能を示すことを確かめることを推奨できるかも知れない。

エスカレーション戦略

Figure 6
Figure 6: 隠れた「細部」

試験結果のさらなる検証として、 エスカレーション戦略を用いるべきことが決定された (Annex F.2, informative)。

  1. ある試験箇所へ印加された最初の(例えば)50回の放電で 1回よりも多くのエラーを生じたならば、 その EUT はその試験箇所と試験レベルでの試験に不合格となる。

  2. ある試験箇所へ印加された最初の50回の放電で1回のエラーを生じたならば、 その試験箇所でさらに100回の印加を行なう第2の試験を行なう。 この100回の放電でエラーを生じないならば、 EUT はその試験箇所で試験に合格する。 100回の放電で1回よりも多くのエラーを生じたならば、 EUT は試験に不合格となる。 この100回の放電で丁度1回のエラーを生じたならば、 第3の試験が行なわれる。

  3. 第3の試験は第2のものの繰り返しである。 この100回の放電でエラーを生じないならば、 EUT はその試験箇所で試験に合格する。 この100回の放電で1回以上のエラーを生じたならば、 EUT は試験に不合格となる。

直接的な影響

これらの手段は、試験結果の信頼性と再現性を向上させ、 ESD シミュレータの機種に依存しないようにすることを意図する。 全ての人にとってのその直接的な影響は、 試験時間の劇的な増加である。 時間で課金する試験所は、これを歓迎することだろう。

提案された新しいターゲット

Figure 7
Figure 7: おおよそ 1GHz 強の帯域幅の 既存の IEC 61000-4-2 ed.1 「Pelligrini ターゲット」

Figure 8
Figure 8: 既存のターゲット

新たな校正手続きの一部として、見直されたターゲットが提案された。 既存の「Pelligrini」ターゲット [2] はおおよそ 1GHz の帯域幅を持ち、 1980年台後半の技術水準を代表していた。 これは当時のオシロスコープと完全に調和していた。

Figure 9
Figure 9: 新しいターゲット

Figure 10
Figure 10: 新しい 4GHz ESD ターゲット

帯域幅の向上と共に、測定の不一致が生じ始め、 整合した、より高い帯域幅の測定チェーンが必要なことが明らかとなった。 その結果は、4GHz の帯域幅を持つ改訂版のターゲットである [4]。 ZSYS = V50 / ISYS、 従って IESD = VESD / ZSYS。 ESD 電流の計算のために ZSYS を用いなければならない。 50Ω がなくなっているため、U2 は2倍高い。 その高い帯域幅と、その周波数範囲にわたる非常にタイトな許容差のため、 いかなる不連続性も周波数応答への顕著な影響を持つであろう。 従って、良い RF 工学プラクティスを用い、ターゲットを ESD の校正に必要な任意のケーブルやコネクタと共に校正することが重要である。

新たなターゲット校正要求

Figure 11
Figure 11: ターゲットの校正

ESD 規格では初めて、校正用ターゲットが慎重に規定されている。

任意の高周波校正測定と同様、実際の試験機器が重要な要因となり得るので、 慎重に考慮しなければならない。 この規格は厳密な測定機器を規定しないが、実際上、 Sパラメータを測定できるネットワーク・アナライザは不可欠である。 もう１つの問題は、電気的不連続性をもたらさない、 ターゲットとの接続を行なう方法である。 円錐状アダプタが示されているが、他の形状も許容できる。

Figure 12
Figure 12: 新しいターゲットの周波数応答


新たな校正手続き

ESD シミュレータの新たな校正手続きは、 放電の正確な回数と検証すべきレベルを規定することによって 「一発屋」アプローチを除去するように企てられた。 このアプローチは、その新たな試験手続きと同様、 ESD シミュレータの校正のために必要な時間を増加させるであろう。 5回 (放電) × 2回 (各極性) × 4試験レベル = 少なくとも40インパルス。 この単純な変更は校正試験所でのより多くの時間を意味し、 従って ESD シミュレータの校正コストは増加するであろう。

Figure 13
Figure 13: シミュレータ校正手続き


ここに変更はない！

Figure 14
Figure 14: ESD シミュレータの回路

規格の Annex B の手続きに従って評価した時、ESD シミュレータは IEC 61000-4-2 ed.2 の 6項で与えられた要求に適合しなければならない。 従って、Figure 14 の図と要素の値のいずれも詳細に規定されていない。 その意図は、発生器を校正波形によらずに要素の値によって規定することではない。 このため、第2版の要求に適合する既存の ESD シミュレータでは 問題はない筈である。

20Hz 放電繰り返しを用いた EUT の調査

Figure 15
Figure 15: ESD シミュレータの性能

Note 1 は、その電圧は放電のポイントで測定すべきことを示す。 これは長年のあいだ議論の的となってきた。 規定されたようにその電圧を完全に特定する唯一の方法は、 (ESD の兆候を無視できると仮定して) 外部の測定デバイスを用いることである。 Note 2 は、EUT の弱いスポットの発見を特に意図している。 ESD シミュレータで用いられる電気機械式スイッチのため、 20Hz 試験は気中放電モードで行なうのが最良である。 そのような早い繰り返しは高電圧リレーの寿命を短くする。

参考文献

[1] International Electrotechnical Commission, "Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge immunity test", IEC 61000-4-2 Ed 1, 1995

[2] International Electrotechnical Commission, "Electromagnetic compatibility for industrial process measurement and control equipment - Part 4-2: Electrostatic discharge requirements", IEC 801-2, 1991

[3] International Electrotechnical Commission, "Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge immunity test", IEC 61000-4-2 Ed 2, 2008

[4] EMC PARTNER, "ESD-TARGET2 for calibration of the ESD discharge current waveform, target type SMD as proposed for gun comparison.", 2008

Copyright (C) 2009 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2009-09-22