Panoramica del Modello del Corpo Umano in EMC

Il modello del corpo umano (HBM) è utilizzato per definire gli standard EMC per l'elettronica, inclusi i voltaggi di tenuta durante gli eventi ESD. Il modello è un modello di simulazione utilizzato per imitare il potenziale ESD che può verificarsi quando il corpo umano tocca un dispositivo elettronico. Quando si verifica un ESD, l'energia potenziale accumulata nella carica sul corpo umano verrà rilasciata al circuito, e qualsiasi misura di protezione deve essere in grado di rispondere all'evento di sovratensione risultante.

L'HBM non modella accuratamente ogni possibile fonte di ESD, ma aiuta a comprendere l'ESD generato dal tocco del corpo umano e fornisce un approccio di qualificazione standardizzato. Poiché molti standard utilizzano l'HBM come riferimento contro cui sono definiti i voltaggi di tenuta ESD, è importante capire come progettare secondo i requisiti definiti da questo modello.

Circuito equivalente nell'HBM

L'HBM è destinato a descrivere fenomenologicamente come un evento ESD proveniente dal corpo umano possa scaricare corrente in un circuito protetto. Ciò viene fatto utilizzando un modello di circuito RC, e i valori specifici dei componenti utilizzati nel modello di circuito variano in base allo standard utilizzato per descrivere la scarica durante un evento ESD. Questi valori sono utilizzati in simulazione e misurazione per esaminare come un sistema o un circuito integrato risponderà agli impulsi ESD, e per valutare se i circuiti di protezione possono sopportare livelli specificati di ESD.

L'immagine qui sotto mostra una tipica configurazione di test utilizzata per valutare la protezione del circuito all'interno delle specifiche nell'HBM come definito in certi standard industriali. La configurazione di test consiste principalmente in un condensatore (C) e una resistenza (R), che sono specificati in vari standard. L'induttore (L) rappresenta l'induttanza dell'interconnessione che porta dal generatore di forma d'onda di test al DUT protetto. La risposta risultante al pin del segnale è monitorata e il dispositivo può essere testato dopo l'esposizione alla forma d'onda di test ESD per valutare l'efficacia del circuito di protezione.

La tabella sottostante elenca un insieme di standard di test che definiscono i parametri HBM e i requisiti di test ESD. I valori di resistenza e capacità nell'HBM sono tipicamente fino a 1,5 kOhm e 100-150 pF, rispettivamente. Questi parametri condizionano la forma d'onda del test per avere il tempo di salita e la corrente di picco desiderati per una data esposizione di tensione.

Un valore elevato di resistenza tiene conto delle caratteristiche resistive del corpo umano e rallenta efficacemente la scarica dell'impulso al valore osservato. Mentre la forma d'onda del test potrebbe mostrare un tempo di salita di 1-10 nanosecondi, la velocità di scarica varierà se i valori di resistore e condensatore sono diversi. Questo è piuttosto importante se il DUT o il circuito di protezione sono capacitivi, che dovranno rispondere diversamente a causa della loro capacitanza in parallelo con l'apparecchiatura di test.

Lo standard IEC 61000-4-2 suddivide i livelli di immunità di un sistema elettronico o prodotto in diverse classi basate sulla loro capacità di sopportare la tensione. La tensione di tenuta determinata nei test HBM è ulteriormente suddivisa in classificazioni. Questo può essere utilizzato per standardizzare e categorizzare l'equipaggiamento in base al suo livello di immunità ESD. Queste classificazioni sono mostrate di seguito.

Requisiti di Tenuta per i Componenti

Alcuni componenti elencheranno il loro livello di conformità rispetto ai requisiti di picco di tensione/corrente nei tracciati di test HBM direttamente nel datasheet. Un esempio dal datasheet per un driver di linea RS-232 di Texas Instruments (PN: SN65C3221E) è mostrato di seguito. Questa voce fornisce una capacità di tensione di picco sostenibile come testata contro un HBM. Possiamo anche vedere la conformità agli standard elencata in questa sezione introduttiva (in questo caso, IEC-61000-4-2).

Come possiamo vedere sopra, i componenti che verranno utilizzati in ambienti dove l'ESD rappresenta un pericolo dovrebbero dichiarare esplicitamente a quali standard mirano a conformarsi, sia che si tratti di un modello HBM standardizzato o di qualche altro modello (vedi sotto). Assicurati di dimensionare qualsiasi protezione ESD per tenere conto, come minimo, dei valori standardizzati forniti nella forma d'onda del test HBM con una certa derating applicata.

Quali forme d'onda degli impulsi possono essere previste?

Esempi di forme d'onda degli impulsi ESD pratici che ci si aspetterebbe in un test ESD o in caso di un vero evento ESD possono essere trovati nella letteratura di ricerca. Un articolo del 1993 presentato all'ISTFA offre eccellenti esempi di queste forme d'onda. Questo articolo può essere accesso gratuitamente al seguente link:

• Kelly, M. A., G. E. Servais, e T. V. Pfaffenbach. "An investigation of human body electrostatic discharge." In International Symposium for Testing and Failure Analysis, pp. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Se si esaminano alcuni dei dati di prova nella pubblicazione sopra menzionata, si vedrà come gli standard per i test ESD e i requisiti di resistenza si relazionano alla corrente prevista, al tempo di salita dell'impulso e alla velocità di scarica come descritto nell'HBM. Di seguito sono mostrati alcuni esempi di forme d'onda misurate; queste illustrano la corrispondenza tra varie fonti di scarica e i risultati determinati con i test sotto l'HBM.

La variazione delle correnti di picco è abbastanza evidente. Tuttavia, possiamo vedere che l'inizio dell'ESD è un processo molto veloce. Ciò che conta qui è che il meccanismo di protezione deve rispondere entro questa finestra temporale e quindi impedire all'impulso crescente di trasferire energia al circuito protetto. In tutti i casi, anche con tensioni di picco molto alte che corrisponderebbero a IEC-61000-4-2, vediamo che l'impulso ESD raggiunge la sua corrente di picco in circa 1 ns. Qualsiasi meccanismo di protezione che sarebbe utilizzato per proteggere dall'ESD deve rispondere in circa 1 ns, il che richiede diodi veloci.

Alternative all'HBM

L'HBM è un modello comune utilizzato per simulare l'ESD generato dal corpo umano. Tuttavia, l'HBM non è l'unico modello di test ESD utilizzato in EMC, ed è importante notare che l'ESD che non deriva dal corpo umano potrebbe non essere modellato accuratamente utilizzando l'HBM. Questi modelli alternativi di simulazione e test includono:

• Modello di dispositivo carico (CDM); simula situazioni in cui un dispositivo elettronico diventa carico e poi scarica quando entra in contatto con un altro oggetto.
• Modello macchina (MM); un condensatore da 200 pF viene utilizzato per scaricare una specifica tensione attraverso una resistenza da 0 ohm, dando luogo a una scarica molto rapida che è limitata dal valore ESR del condensatore.

Questi modelli rappresentano situazioni alternative in cui gli eventi ESD non derivano necessariamente dal contatto con il corpo umano. Ad esempio, la costante di tempo effettiva del circuito equivalente RC utilizzato in questi setup di test l'HBM ha una costante di tempo dell'ordine dei microsecondi, riflettendo il lento decadimento della tensione del condensatore di prova durante la scarica. Questi altri modelli sono utilizzati per standardizzare potenziali eventi ESD da altre fonti che potrebbero risultare in impulsi veloci (1-10 ns) con decadimenti molto più rapidi a zero.

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