EMCにおけるヒューマンボディモデルの概要

ヒューマンボディモデル（HBM）は、ESDイベント中の耐電圧を含む電子機器のEMC基準を定義するために使用されます。このモデルは、人間の体が電子デバイスに触れたときに発生する可能性のあるESDを模倣するために使用されるシミュレーションモデルです。ESDが発生すると、人体に蓄積された電荷によって蓄えられたポテンシャルエネルギーが回路に放出され、保護対策はその結果生じる過電圧イベントに対応できなければなりません。

HBMはすべての潜在的なESDソースを正確にモデル化するわけではありませんが、人体からのタッチによって生成されるESDを理解するのに役立ち、標準化された資格評価アプローチを提供します。多くの基準が耐ESD電圧を定義するための参照としてHBMを使用しているため、このモデルによって定義された要件に基づいて設計する方法を理解することが重要です。

HBMの等価回路

HBMは、人体からのESDイベントが保護された回路に電流を放電する様子を現象学的に説明するために用いられます。これはRC回路モデルを使用して行われ、回路モデルに使用される特定のコンポーネント値は、ESDイベント中の放電を説明するために使用される標準に基づいて変化します。これらの値は、システムや集積回路がESDパルスにどのように反応するか、保護回路が指定されたレベルのESDに耐えることができるかを評価するために、シミュレーションおよび測定に使用されます。

下の画像は、特定の業界標準で定義されたHBMの仕様内で回路保護を評価するために使用される典型的なテストセットアップを示しています。テストセットアップは主に、様々な標準で指定されたキャパシタ（C）と抵抗（R）で構成されています。インダクタ（L）は、テスト波形発生器から保護されたDUTへの接続のインダクタンスを表します。信号ピンでの結果としての応答が監視され、デバイスはESDテスト波形にさらされた後にテストされ、保護回路の有効性を評価することができます。

以下の表は、HBMパラメータとESDテスト要件を定義する一連のテスト基準をリストアップしています。HBM内の抵抗器とキャパシタの値は、通常、最大で1.5 kOhmsと100-150 pFです。これらのパラメータは、与えられた電圧露出に対して所望の立ち上がり時間とピーク電流を持つテスト波形を条件付けます。

大きな抵抗値は、人体の抵抗特性を考慮に入れ、パルス放電を観測値まで効果的に遅らせます。テスト波形が 1-10 ナノ秒の立ち上がり時間を示すかもしれませんが、抵抗値とキャパシタ値が異なる場合、放電率は変化します。これは、DUT（デバイス・アンダー・テスト）または保護回路がキャパシティブである場合、特に重要です。これは、テスト装置と並列になっているそのキャパシタンスによって異なる反応をしなければならないためです。

IEC 61000-4-2 標準は、耐電圧能力に基づいて、電子システムまたは製品の耐性レベルを異なるクラスに分類します。HBM テストで見つかった耐電圧は、さらに分類に分けられます。これにより、ESD 耐性のレベルに基づいて機器を標準化および分類することができます。これらの分類は以下の通りです。

部品の耐圧要件

一部の部品は、HBMテスト波形におけるピーク電圧/電流要件に対する適合レベルをデータシートで直接リストしています。テキサス・インスツルメンツのRS-232ラインドライバー（品番：SN65C3221E）のデータシートからの例を以下に示します。このエントリーは、HBMに対してテストされたピーク耐圧能力を提供しています。また、この導入部分には標準適合もリストされています（この場合、IEC-61000-4-2）。

上記のように、ESDが危険である環境で使用されるコンポーネントは、標準化されたHBMモデルやその他のモデル（下記参照）に対して、どの基準を満たすことを目指しているかを明確に示すべきです。少なくとも標準化されたHBMテスト波形で与えられた値を使用し、一定のディレーティングを適用して、ESD保護のサイズを確認してください。

どのようなパルス波形が予想されるか？

実際のESDテストや実際のESDイベントで予想される実用的なESDパルス波形の例は、研究文献で見つけることができます。1993年にISTFAで発表された論文には、これらの波形の優れた例が示されています。この論文は以下のリンクで無料でアクセスできます：

• Kelly, M. A., G. E. Servais, and 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.

上記の出版物のテストデータの一部を調べると、HBMで説明されているように、ESDテストと耐久要件の基準が期待される電流、パルス立ち上がり時間、放電率とどのように関連しているかがわかります。以下に示されているいくつかの測定波形例は、さまざまな放電源とHBMの下でのテストによって決定された結果との対応を示しています。

ピーク電流の変動は非常に明確です。しかし、ESDの開始が非常に速いプロセスであることがわかります。ここで重要なのは、保護メカニズムがこの時間枠内で反応し、上昇するパルスが保護された回路にエネルギーを転送するのを防ぐ必要があるということです。IEC-61000-4-2に相当する非常に高いピーク電圧であっても、すべてのケースで、ESDパルスは約1 nsでピーク電流に達します。ESDに対する保護に使用される保護メカニズムは、約1 ns以内に反応する必要があり、これは高速ダイオードを要求します。

HBMの代替案

HBMは、人体から発生するESDをシミュレートするためによく使用されるモデルです。しかし、HBMはEMCで使用される唯一のESDテストモデルではなく、人体から発生しないESDはHBMを使用して正確にモデル化されない可能性があることに注意することが重要です。これらの代替シミュレーションおよびテストモデルには、

• チャージドデバイスモデル（CDM）；電子デバイスが充電され、他の物体と接触すると放電する状況をシミュレートします。
• マシンモデル（MM）；200 pFのキャパシタを使用して、0オームの抵抗を通じて特定の電圧を放電し、キャパシタのESR値によって限定される非常に速い放電を提供します。

これらのモデルは、ESDイベントが必ずしも人体との接触から生じるわけではない状況を代替します。例えば、これらのテストセットアップで使用される等価RC回路の有効な時定数は、HBMがマイクロ秒のオーダーの時定数を持ち、放電中のテストキャパシタの電圧の遅い減衰を反映しています。これらの他のモデルは、高速パルス（1-10 ns）でゼロへの非常に速い減衰を伴う他のソースからの潜在的なESDイベントを標準化するために使用されます。

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