Descripción general del modelo de cuerpo humano en EMC

El modelo de cuerpo humano (HBM, por sus siglas en inglés) se utiliza para definir los estándares EMC para la electrónica, incluyendo los voltajes de soporte durante eventos de ESD. El modelo es un modelo de simulación utilizado para imitar el ESD potencial que puede ocurrir cuando el cuerpo humano toca un dispositivo electrónico. Cuando ocurre ESD, la energía potencial almacenada en la carga acumulada en el cuerpo humano será liberada al circuito, y cualquier medida de protección debe ser capaz de responder al evento de sobrevoltaje resultante.

El HBM no modela con precisión todas las posibles fuentes de ESD, pero ayuda a entender el ESD generado por el contacto del cuerpo humano y proporciona un enfoque de calificación estandarizado. Dado que muchos estándares utilizan el HBM como referencia contra la cual se definen los voltajes de soporte de ESD, es importante entender cómo diseñar según los requisitos definidos por este modelo.

Circuito Equivalente en el HBM

El HBM está destinado a describir fenomenológicamente cómo un evento ESD del cuerpo humano podría descargar corriente en un circuito protegido. Esto se realiza utilizando un modelo de circuito RC, y los valores específicos de los componentes utilizados en el modelo de circuito varían según la norma que se utilice para describir la descarga durante un evento ESD. Estos valores se utilizan en simulación y medición para examinar cómo un sistema o circuito integrado responderá a los pulsos ESD, y para evaluar si los circuitos de protección pueden soportar niveles especificados de ESD.

La imagen a continuación muestra una configuración de prueba típica utilizada para evaluar la protección del circuito dentro de las especificaciones en el HBM según se define en ciertas normas industriales. La configuración de prueba consiste principalmente en un capacitor (C) y una resistencia (R), que están especificados en varias normas. El inductor (L) representa la inductancia de la interconexión que lleva desde el generador de forma de onda de prueba y el DUT protegido. La respuesta resultante en el pin de señal se monitorea y el dispositivo puede ser probado después de la exposición a la forma de onda de prueba ESD para evaluar la eficacia del circuito de protección.

La tabla a continuación lista un conjunto de estándares de prueba que definen los parámetros HBM y los requisitos de prueba ESD. Los valores de resistencia y capacitancia en el HBM son típicamente de hasta 1.5 kOhms y 100-150 pF, respectivamente. Estos parámetros condicionan la forma de onda de prueba para tener el tiempo de subida y la corriente pico deseada para una exposición de voltaje dada.

Un valor grande de resistencia tiene en cuenta las características resistivas del cuerpo humano y efectivamente ralentiza la descarga del pulso al valor observado. Aunque la forma de onda de prueba pueda exhibir un tiempo de subida de 1-10 nanosegundos, la tasa de descarga variará si los valores del resistor y del capacitor son diferentes. Esto es bastante importante si el DUT o el circuito de protección son capacitivos, lo que tendrá que responder de manera diferente debido a que su capacitancia está en paralelo con el equipo de prueba.

El estándar IEC 61000-4-2 desglosa los niveles de inmunidad de un sistema o producto electrónico en diferentes clases basadas en su capacidad de soportar voltaje. La tensión de soporte determinada como se encuentra en las pruebas HBM se desglosa aún más en clasificaciones. Esto se puede utilizar para estandarizar y categorizar equipos basados en su nivel de inmunidad ESD. Estas clasificaciones se muestran a continuación.

Requisitos de Resistencia para Componentes

Algunos componentes indicarán su nivel de cumplimiento contra los requisitos máximos de voltaje/corriente en las formas de onda de prueba HBM directamente en la hoja de datos. Un ejemplo de la hoja de datos para un controlador de línea RS-232 de Texas Instruments (PN: SN65C3221E) se muestra a continuación. Esta entrada proporciona una capacidad de voltaje máximo de resistencia probada contra un HBM. También podemos ver el cumplimiento de normas listado en esta sección introductoria (en este caso, IEC-61000-4-2).

Como podemos ver arriba, los componentes que se utilizarán en entornos donde el ESD es un peligro deben declarar explícitamente con qué normas pretenden cumplir, ya sea contra un modelo HBM estandarizado u otro modelo (ver abajo). Asegúrate de dimensionar cualquier protección ESD para tener en cuenta, como mínimo, los valores estandarizados dados en la forma de onda de prueba HBM con cierta desclasificación aplicada.

¿Qué formas de onda de pulso se pueden esperar?

Ejemplos de formas de onda de pulso ESD prácticas que se esperarían en una prueba ESD o en el evento de un ESD real se pueden encontrar en la literatura de investigación. Un artículo de 1993 presentado en ISTFA ofrece excelentes ejemplos de estas formas de onda. Este artículo se puede acceder de forma gratuita en el siguiente enlace:

• Kelly, M. A., G. E. Servais, y T. V. Pfaffenbach. "Una investigación sobre la descarga electrostática del cuerpo humano." En Simposio Internacional para Pruebas y Análisis de Fallos, pp. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Si examina algunos de los datos de prueba en la publicación anterior, verá cómo los estándares para las pruebas de ESD y los requisitos de resistencia se relacionan con la corriente esperada, el tiempo de subida del pulso y la tasa de descarga como se describe en el HBM. A continuación, se muestran algunos ejemplos de formas de onda medidas; estos ilustran la correspondencia entre varias fuentes de descarga y los resultados determinados con pruebas bajo el HBM.

La variación en las corrientes máximas es bastante clara. Sin embargo, podemos ver que el inicio de ESD es un proceso muy rápido. Lo que importa aquí es que el mecanismo de protección debe responder dentro de esta ventana de tiempo y así evitar que el pulso ascendente transfiera energía al circuito protegido. En todos los casos, incluso con voltajes máximos muy altos que corresponderían a IEC-61000-4-2, vemos que el pulso de ESD alcanza su corriente máxima en aproximadamente 1 ns. Cualquier mecanismo de protección que se utilizara para proteger contra ESD debe responder en aproximadamente 1 ns, lo que exige diodos rápidos.

Alternativas al HBM

El HBM es un modelo común utilizado para simular ESD generada por el cuerpo humano. Sin embargo, el HBM no es el único modelo de prueba de ESD utilizado en EMC, y es importante señalar que el ESD que no resulta del cuerpo humano podría no ser modelado con precisión utilizando el HBM. Estos modelos de simulación y prueba alternativos incluyen:

• Modelo de dispositivo cargado (CDM); simula situaciones donde un dispositivo electrónico se carga y luego se descarga cuando entra en contacto con otro objeto.
• Modelo de máquina (MM); se utiliza un capacitor de 200 pF para descargar un voltaje específico a través de una resistencia de 0 ohmios, dando una descarga muy rápida que está limitada por el valor ESR del capacitor.

Estos modelos representan situaciones alternativas donde los eventos de ESD no necesariamente resultan del contacto con el cuerpo humano. Por ejemplo, la constante de tiempo efectiva del circuito equivalente RC utilizado en estos montajes de prueba el HBM tiene una constante de tiempo del orden de microsegundos, reflejando la lenta disminución del voltaje del capacitor de prueba durante la descarga. Estos otros modelos se utilizan para estandarizar eventos ESD potenciales de otras fuentes que podrían resultar en pulsos rápidos (1-10 ns) con decays mucho más rápidos a cero.

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