Aperçu du modèle du corps humain en CEM

Le modèle du corps humain (HBM) est utilisé pour définir les normes CEM pour l'électronique, incluant les tensions de tenue lors des événements de décharge électrostatique (DES). Le modèle est un modèle de simulation utilisé pour imiter la DES potentielle qui peut se produire lorsque le corps humain touche un dispositif électronique. Lorsqu'une DES se produit, l'énergie potentielle stockée dans la charge accumulée sur le corps humain sera libérée dans le circuit, et toutes les mesures de protection doivent être capables de répondre à l'événement de surtension résultant.

Le HBM ne modélise pas précisément chaque source potentielle de DES, mais il aide à comprendre la DES générée par le toucher du corps humain et fournit une approche de qualification standardisée. Étant donné que de nombreuses normes utilisent le HBM comme référence contre laquelle les tensions de tenue DES sont définies, il est important de comprendre comment concevoir selon les exigences définies par ce modèle.

Circuit Équivalent dans le HBM

Le HBM est conçu pour décrire phénoménologiquement comment un événement ESD provenant du corps humain pourrait décharger du courant dans un circuit protégé. Cela se fait en utilisant un modèle de circuit RC, et les valeurs des composants spécifiques utilisées dans le modèle de circuit varient en fonction de la norme utilisée pour décrire la décharge lors d'un événement ESD. Ces valeurs sont utilisées dans la simulation et la mesure pour examiner comment un système ou un circuit intégré répondra aux impulsions ESD, et pour évaluer si les circuits de protection peuvent résister à des niveaux spécifiés d'ESD.

L'image ci-dessous montre une configuration de test typique utilisée pour évaluer la protection de circuit dans les spécifications du HBM telles que définies dans certaines normes industrielles. La configuration de test consiste principalement en un condensateur (C) et une résistance (R), qui sont spécifiés dans diverses normes. L'inductance (L) représente l'inductance de l'interconnexion menant du générateur de forme d'onde de test et du DUT protégé. La réponse résultante au niveau de la broche de signal est surveillée et le dispositif peut être testé après exposition à la forme d'onde de test ESD pour évaluer l'efficacité du circuit de protection.

Le tableau ci-dessous répertorie un ensemble de normes de test définissant les paramètres HBM et les exigences de test ESD. Les valeurs de résistance et de capacité dans le HBM sont typiquement jusqu'à 1,5 kOhms et 100-150 pF, respectivement. Ces paramètres conditionnent la forme d'onde de test pour avoir le temps de montée et le courant de crête souhaités pour une exposition de tension donnée.

Une grande valeur de résistance tient compte des caractéristiques résistives du corps humain et ralentit efficacement la décharge d'impulsion à la valeur observée. Alors que la forme d'onde de test peut présenter un temps de montée de 1-10 nanosecondes, le taux de décharge variera si les valeurs de résistance et de condensateur sont différentes. Cela est assez important si le DUT ou le circuit de protection sont capacitifs, ce qui devra réagir différemment en raison de sa capacité étant en parallèle avec le banc d'essai.

La norme IEC 61000-4-2 décompose les niveaux d'immunité d'un système électronique ou produit en différentes classes basées sur leur capacité de tenue en tension. La tension de tenue déterminée comme trouvée dans les tests HBM est ensuite décomposée en classifications. Cela peut être utilisé pour standardiser et catégoriser l'équipement en fonction de son niveau d'immunité ESD. Ces classifications sont montrées ci-dessous.

Exigences de tenue pour les composants

Certains composants indiqueront leur niveau de conformité par rapport aux exigences de tension/courant de crête dans les formes d'onde de test HBM directement dans la fiche technique. Un exemple tiré de la fiche technique pour un pilote de ligne RS-232 de Texas Instruments (PN : SN65C3221E) est présenté ci-dessous. Cette entrée fournit une capacité de tension de tenue de crête telle que testée contre un HBM. Nous pouvons également voir la conformité aux normes indiquée dans cette section introductive (dans ce cas, IEC-61000-4-2).

Comme nous pouvons le voir ci-dessus, les composants qui seront utilisés dans des environnements où l'ESD représente un danger doivent indiquer explicitement les normes qu'ils visent à respecter, que ce soit contre un modèle HBM standardisé ou un autre modèle (voir ci-dessous). Assurez-vous de dimensionner toute protection ESD pour prendre en compte, au minimum, les valeurs standardisées données dans la forme d'onde de test HBM avec une certaine dépréciation appliquée.

Quelles formes d'onde d'impulsion peut-on attendre ?

Des exemples de formes d'onde d'impulsion ESD pratiques qui seraient attendues lors d'un test ESD ou en cas d'événement ESD réel peuvent être trouvés dans la littérature de recherche. Un article de 1993 présenté à l'ISTFA donne d'excellents exemples de ces formes d'onde. Cet article est accessible gratuitement au lien suivant :

• Kelly, M. A., G. E. Servais et T. V. Pfaffenbach. "Une investigation de la décharge électrostatique du corps humain." Dans Symposium International pour les Tests et l'Analyse des Défaillances, pp. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Si vous examinez certaines des données de test dans la publication ci-dessus, vous verrez comment les normes pour les tests ESD et les exigences de résistance se rapportent au courant attendu, au temps de montée de l'impulsion et au taux de décharge tel que décrit dans le HBM. Quelques exemples de formes d'onde mesurées sont montrés ci-dessous ; ces derniers illustrent la correspondance entre différentes sources de décharge et les résultats déterminés avec les tests sous le HBM.

La variation des courants de crête est assez claire. Cependant, nous pouvons voir que le début de l'ESD est un processus très rapide. Ce qui importe ici, c'est que le mécanisme de protection doit répondre dans cette fenêtre de temps et ainsi empêcher l'impulsion montante de transférer de l'énergie au circuit protégé. Dans tous les cas, même avec des tensions de crête très élevées qui correspondraient à IEC-61000-4-2, nous voyons que l'impulsion ESD atteint son courant de crête en environ 1 ns. Tout mécanisme de protection utilisé pour se protéger contre l'ESD doit répondre en environ 1 ns, ce qui exige des diodes rapides.

Alternatives au HBM

Le HBM est un modèle couramment utilisé pour simuler les ESD générées par le corps humain. Cependant, le HBM n'est pas le seul modèle de test ESD utilisé en CEM, et il est important de noter que les ESD qui ne résultent pas du corps humain pourraient ne pas être modélisées avec précision en utilisant le HBM. Ces modèles de simulation et de test alternatifs comprennent :

• Modèle de dispositif chargé (CDM) ; simule des situations où un dispositif électronique devient chargé puis se décharge lorsqu'il entre en contact avec un autre objet.
• Modèle machine (MM) ; un condensateur de 200 pF est utilisé pour décharger une tension spécifique à travers une résistance de 0 ohm, donnant une décharge très rapide qui est limitée par la valeur ESR du condensateur.

Ces modèles simulent des situations alternatives où les événements ESD ne résultent pas nécessairement d'un contact avec le corps humain. Par exemple, la constante de temps effective du circuit équivalent RC utilisé dans ces configurations de test le HBM a une constante de temps de l'ordre des microsecondes, reflétant la décroissance lente de la tension du condensateur de test pendant la décharge. Ces autres modèles sont utilisés pour standardiser les événements ESD potentiels provenant d'autres sources qui pourraient résulter en des impulsions rapides (1-10 ns) avec des décroissances beaucoup plus rapides vers zéro.

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