Überblick über das Human Body Model in der elektromagnetischen Verträglichkeit

Das Human Body Model (HBM) wird verwendet, um EMC-Standards für Elektronik zu definieren, einschließlich der Durchschlagsfestigkeit während ESD-Ereignissen. Das Modell ist ein Simulationsmodell, das verwendet wird, um das mögliche ESD nachzuahmen, das auftreten kann, wenn der menschliche Körper ein elektronisches Gerät berührt. Wenn ein ESD auftritt, wird die im menschlichen Körper angesammelte Ladungsenergie an den Schaltkreis abgegeben, und alle Schutzmaßnahmen müssen in der Lage sein, auf das resultierende Überspannungsereignis zu reagieren.

Das HBM modelliert nicht jede mögliche ESD-Quelle genau, hilft aber dabei, das durch Berührung vom menschlichen Körper erzeugte ESD zu verstehen und bietet einen standardisierten Qualifizierungsansatz. Da so viele Standards das HBM als Referenz verwenden, gegen die ESD-Durchschlagsfestigkeiten definiert sind, ist es wichtig zu verstehen, wie man gemäß den Anforderungen dieses Modells entwirft.

Äquivalenter Schaltkreis im HBM

Das HBM soll phänomenologisch beschreiben, wie ein ESD-Ereignis vom menschlichen Körper Strom in einen geschützten Schaltkreis entladen könnte. Dies geschieht unter Verwendung eines RC-Schaltkreismodells, und die spezifischen Komponentenwerte, die im Schaltkreismodell verwendet werden, variieren je nach dem Standard, der verwendet wird, um die Entladung während eines ESD-Ereignisses zu beschreiben. Diese Werte werden in Simulationen und Messungen verwendet, um zu untersuchen, wie ein System oder integrierter Schaltkreis auf ESD-Impulse reagieren wird, und um zu bewerten, ob Schutzschaltungen festgelegte ESD-Niveaus aushalten können.

Das Bild unten zeigt eine typische Testeinrichtung, die verwendet wird, um den Schutzschaltkreis innerhalb der Spezifikationen im HBM zu bewerten, wie sie in bestimmten Industriestandards definiert sind. Die Testeinrichtung besteht hauptsächlich aus einem Kondensator (C) und einem Widerstand (R), die in verschiedenen Standards spezifiziert sind. Die Induktivität (L) repräsentiert die Induktivität der Verbindung, die vom Testwellenformgenerator zum geschützten DUT führt. Die resultierende Antwort am Signaleingang wird überwacht, und das Gerät kann nach der Exposition gegenüber der ESD-Testwelle getestet werden, um die Wirksamkeit der Schutzschaltung zu bewerten.

Die untenstehende Tabelle listet eine Reihe von Prüfnormen auf, die HBM-Parameter und ESD-Prüfanforderungen definieren. Die Widerstands- und Kapazitätswerte im HBM liegen typischerweise bei bis zu 1,5 kOhm bzw. 100-150 pF. Diese Parameter konditionieren die Testwelle, um die gewünschte Anstiegszeit und Spitzenstrom für eine gegebene Spannungsexposition zu haben.

Ein hoher Widerstandswert berücksichtigt die resistiven Eigenschaften des menschlichen Körpers und verlangsamt effektiv die Impulsentladung auf den beobachteten Wert. Während die Testwelle möglicherweise eine Anstiegszeit von 1-10 Nanosekunden aufweist, variiert die Entladungsrate, wenn die Widerstands- und Kapazitätswerte unterschiedlich sind. Dies ist besonders wichtig, wenn das DUT oder der Schutzschaltkreis kapazitiv sind, was aufgrund seiner Kapazität, die parallel zum Prüfstand liegt, unterschiedlich reagieren muss.

Der IEC 61000-4-2 Standard unterteilt die Immunitätslevel eines elektronischen Systems oder Produkts in verschiedene Klassen, basierend auf ihrer Spannungsfestigkeit. Die bestimmte Spannungsfestigkeit, wie sie bei HBM-Tests gefunden wird, wird weiter in Klassifizierungen unterteilt. Dies kann verwendet werden, um Geräte basierend auf ihrem ESD-Immunitätslevel zu standardisieren und zu kategorisieren. Diese Klassifizierungen sind unten aufgeführt.

Standfestigkeitsanforderungen für Komponenten

Einige Komponenten geben ihre Übereinstimmungsebene gegenüber den Spitzen-Spannungs-/Stromanforderungen in HBM-Testwellenformen direkt im Datenblatt an. Ein Beispiel aus dem Datenblatt für einen RS-232-Leitungstreiber von Texas Instruments (PN: SN65C3221E) wird unten gezeigt. Dieser Eintrag bietet eine Spitzen-Spannungsfestigkeit, wie sie gegen ein HBM getestet wurde. Wir können auch die Standardskonformität in diesem einleitenden Abschnitt sehen (in diesem Fall IEC-61000-4-2).

Wie wir oben sehen können, sollten Komponenten, die in Umgebungen verwendet werden, in denen ESD eine Gefahr darstellt, ausdrücklich angeben, welche Standards sie zu erfüllen beabsichtigen, sei es gegen ein standardisiertes HBM-Modell oder ein anderes Modell (siehe unten). Stellen Sie sicher, dass Sie jeden ESD-Schutz ausreichend dimensionieren, um mindestens die im HBM-Testwellenform angegebenen standardisierten Werte mit einer gewissen Abwertung zu berücksichtigen.

Welche Impulswellenformen können erwartet werden?

Beispiele für praktische ESD-Impulswellenformen, die bei einem ESD-Test oder im Falle eines tatsächlichen ESD-Ereignisses erwartet werden können, finden sich in der Forschungsliteratur. Ein Artikel aus dem Jahr 1993, der auf der ISTFA präsentiert wurde, bietet ausgezeichnete Beispiele dieser Wellenformen. Dieser Artikel kann kostenlos unter folgendem Link abgerufen werden:

• Kelly, M. A., G. E. Servais und T. V. Pfaffenbach. „Eine Untersuchung der elektrostatischen Entladung des menschlichen Körpers.“ In International Symposium for Testing and Failure Analysis, S. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Wenn Sie einige der Testdaten in der oben genannten Veröffentlichung untersuchen, werden Sie sehen, wie die Standards für ESD-Tests und Durchhalteanforderungen mit dem erwarteten Strom, der Anstiegszeit des Pulses und der Entladerate in Beziehung stehen, wie im HBM beschrieben. Einige gemessene Wellenformen werden unten gezeigt; diese veranschaulichen die Entsprechung zwischen verschiedenen Entladungsquellen und den Ergebnissen, die mit Tests unter dem HBM ermittelt wurden.

Die Variation in den Spitzenströmen ist recht deutlich. Wir können jedoch sehen, dass der Beginn von ESD ein sehr schneller Prozess ist. Wichtig ist hier, dass der Schutzmechanismus innerhalb dieses Zeitfensters reagieren muss und somit verhindert, dass der ansteigende Puls Energie auf den geschützten Schaltkreis überträgt. In allen Fällen, selbst bei sehr hohen Spitzenspannungen, die IEC-61000-4-2 entsprechen würden, sehen wir, dass der ESD-Puls seinen Spitzenstrom in etwa 1 ns erreicht. Jeder Schutzmechanismus, der zum Schutz gegen ESD verwendet wird, muss innerhalb von etwa 1 ns reagieren, was schnelle Dioden erfordert.

Alternativen zum HBM

Das HBM ist ein gängiges Modell, das verwendet wird, um ESD zu simulieren, die vom menschlichen Körper erzeugt werden. Allerdings ist das HBM nicht das einzige ESD-Testmodell, das in der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) verwendet wird, und es ist wichtig zu beachten, dass ESD, die nicht vom menschlichen Körper herrühren, möglicherweise nicht genau mit dem HBM modelliert werden können. Zu diesen alternativen Simulations- und Testmodellen gehören:

• Gerätegeladenes Modell (CDM); simuliert Situationen, in denen ein elektronisches Gerät aufgeladen wird und dann entlädt, wenn es mit einem anderen Objekt in Kontakt kommt.
• Maschinenmodell (MM); ein 200 pF Kondensator wird verwendet, um eine spezifische Spannung durch einen 0 Ohm Widerstand zu entladen, was eine sehr schnelle Entladung ergibt, die durch den ESR-Wert des Kondensators begrenzt wird.

Diese Modelle simulieren alternative Situationen, in denen ESD-Ereignisse nicht notwendigerweise durch Kontakt mit dem menschlichen Körper entstehen. Zum Beispiel hat die effektive Zeitkonstante des äquivalenten RC-Kreises, der in diesen Testaufbauten verwendet wird, eine Zeitkonstante in der Größenordnung von Mikrosekunden, was den langsamen Abfall der Spannung des Testkondensators während der Entladung widerspiegelt. Diese anderen Modelle werden verwendet, um potenzielle ESD-Ereignisse aus anderen Quellen zu standardisieren, die in schnellen Pulsen (1-10 ns) mit viel schnellerem Abfall auf Null resultieren könnten.

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