EMC에서의 인체 모델 개요

인체 모델(HBM)은 전자기기의 EMC 표준을 정의하는 데 사용되며, ESD 사건 동안 견딜 수 있는 전압을 포함합니다. 이 모델은 인체가 전자 장치에 접촉할 때 발생할 수 있는 잠재적 ESD를 모방하기 위해 사용되는 시뮬레이션 모델입니다. ESD가 발생하면 인체에 축적된 전하의 잠재 에너지가 회로로 방출되며, 모든 보호 조치는 결과적으로 발생하는 과전압 사건에 대응할 수 있어야 합니다.

HBM은 모든 잠재적 ESD 원천을 정확하게 모델링하지는 않지만, 인체의 접촉으로 발생하는 ESD를 이해하는 데 도움을 주며 표준화된 자격 평가 방법을 제공합니다. 많은 표준이 ESD 견딜 전압을 정의하기 위해 HBM을 참조로 사용하기 때문에, 이 모델에 의해 정의된 요구 사항에 따라 설계하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.

HBM의 등가 회로

HBM은 인체에서 발생하는 ESD 사건이 보호 회로로 전류를 방전하는 방식을 현상학적으로 설명하기 위한 것입니다. 이는 RC 회로 모델을 사용하여 수행되며, 회로 모델에 사용되는 구체적인 구성 요소 값은 ESD 사건 중 방전을 설명하기 위해 사용되는 표준에 따라 다릅니다. 이러한 값은 시스템이나 집적 회로가 ESD 펄스에 어떻게 반응하는지를 검토하고, 보호 회로가 지정된 ESD 수준을 견딜 수 있는지를 평가하기 위해 시뮬레이션 및 측정에 사용됩니다.

아래 이미지는 특정 산업 표준에서 정의한 HBM의 사양 내에서 회로 보호를 평가하기 위해 사용되는 전형적인 테스트 설정을 보여줍니다. 테스트 설정은 주로 다양한 표준에서 지정된 커패시터(C)와 저항(R)으로 구성됩니다. 인덕터(L)는 테스트 파형 발생기에서 보호된 DUT로 이어지는 인터커넥트의 인덕턴스를 나타냅니다. 신호 핀에서의 결과 반응이 모니터링되고, 장치는 ESD 테스트 파형에 노출된 후 보호 회로의 효과성을 평가하기 위해 테스트될 수 있습니다.

아래 표는 HBM 매개변수와 ESD 시험 요구 사항을 정의하는 일련의 시험 표준을 나열합니다. HBM에서의 저항기와 커패시터 값은 일반적으로 각각 최대 1.5 kOhms와 100-150 pF입니다. 이러한 매개변수는 주어진 전압 노출에 대한 원하는 상승 시간과 피크 전류를 갖도록 시험 파형을 조건화합니다.

큰 저항 값은 인체의 저항 특성을 대변하며 펄스 방전을 관찰된 값으로 느리게 합니다. 테스트 파형이 1-10 나노초 상승 시간을 보일 수 있지만, 저항과 커패시터 값이 다를 경우 방전 속도가 달라질 것입니다. 이는 DUT 또는 보호 회로가 커패시티브한 경우 매우 중요한데, 이는 테스트 장비와 병렬로 연결된 커패시턴스로 인해 다르게 반응해야 하기 때문입니다.

IEC 61000-4-2 표준은 전자 시스템 또는 제품의 내성 수준을 내압 능력에 따라 다른 클래스로 나눕니다. HBM 테스트에서 확인된 내압은 분류로 더 세분화됩니다. 이를 사용하여 장비를 ESD 내성 수준에 따라 표준화하고 분류할 수 있습니다. 이러한 분류는 아래와 같습니다.

부품의 내전압 요구사항

일부 부품은 데이터시트에서 HBM 테스트 파형의 최대 전압/전류 요구사항에 대한 준수 수준을 직접 나열합니다. 텍사스 인스트루먼트의 RS-232 라인 드라이버(PN: SN65C3221E)의 데이터시트에서 볼 수 있는 예시가 아래에 나와 있습니다. 이 항목은 HBM에 대해 테스트된 최대 내전압 능력을 제공합니다. 또한, 이 소개 섹션에서 표준 준수(이 경우, IEC-61000-4-2)도 볼 수 있습니다.

위에서 볼 수 있듯이, ESD가 위험한 환경에서 사용될 구성 요소는 표준화된 HBM 모델이나 다른 모델(아래 참조)에 대해 명시적으로 준수하려는 기준을 명시해야 합니다. 최소한 표준화된 HBM 테스트 파형에서 제공하는 값에 일정 비율을 감안하여 ESD 보호를 크기 조정해야 합니다.

어떤 펄스 파형이 예상될 수 있나요?

ESD 테스트에서나 실제 ESD 사건 발생 시 예상되는 실용적인 ESD 펄스 파형의 예는 연구 문헌에서 찾을 수 있습니다. 1993년 ISTFA에서 발표된 한 논문은 이러한 파형의 우수한 예를 제시합니다. 이 논문은 다음 링크에서 무료로 접근할 수 있습니다:

• Kelly, M. A., G. E. Servais, T. V. Pfaffenbach. "인간의 신체 정전기 방전에 대한 조사." 국제 시험 및 실패 분석 심포지엄에서, pp. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

위의 출판물에서 일부 테스트 데이터를 검펴보면, HBM에서 설명된 것처럼 ESD 테스트 및 내성 요구 사항이 예상 전류, 펄스 상승 시간, 방전 속도와 어떻게 관련되는지 볼 수 있습니다. 아래에는 몇 가지 측정된 파형 예시가 나와 있으며, 이는 다양한 방전 소스와 HBM 하에서의 테스트로 결정된 결과 사이의 대응을 보여줍니다.

피크 전류의 변화는 꽤 명확합니다. 그러나, ESD의 시작이 매우 빠른 과정임을 볼 수 있습니다. 여기서 중요한 것은 보호 메커니즘이 이 시간 창 내에 반응하여 상승하는 펄스가 보호되는 회로로 에너지를 전달하는 것을 방지해야 한다는 것입니다. IEC-61000-4-2에 해당하는 매우 높은 피크 전압이 있더라도, 모든 경우에 ESD 펄스가 약 1 ns 내에 피크 전류에 도달하는 것을 볼 수 있습니다. ESD에 대한 보호를 위해 사용되는 모든 보호 메커니즘은 약 1 ns 내에 반응해야 하며, 이는 빠른 다이오드를 요구합니다.

HBM에 대한 대안

HBM은 인체에서 발생하는 ESD를 시뮬레이션하는 데 사용되는 일반적인 모델입니다. 그러나 HBM은 EMC에서 사용되는 유일한 ESD 테스트 모델이 아니며, 인체에서 발생하지 않는 ESD는 HBM을 사용하여 정확하게 모델링되지 않을 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 이러한 대체 시뮬레이션 및 테스트 모델에는 다음이 포함됩니다:

• 충전된 장치 모델(CDM); 전자 장치가 충전되어 다른 객체와 접촉할 때 방전되는 상황을 시뮬레이션합니다.
• 기계 모델(MM); 200 pF 커패시터를 사용하여 특정 전압을 0 옴 저항을 통해 방전시켜, 커패시터의 ESR 값에 의해 제한되는 매우 빠른 방전을 제공합니다.

이러한 모델은 ESD 이벤트가 반드시 인체와의 접촉에서 발생하지 않는 대체 상황을 나타냅니다. 예를 들어, 이 테스트 설정에서 사용되는 등가 RC 회로의 유효 시간 상수는 HBM이 마이크로초 단위의 시간 상수를 가지고 있어, 방전 중 테스트 커패시터의 전압이 느리게 감소하는 것을 반영합니다. 이러한 다른 모델은 빠른 펄스(1-10 ns)와 훨씬 빠른 제로까지의 감쇠를 결과로 할 수 있는 다른 출처의 잠재적 ESD 이벤트를 표준화하는 데 사용됩니다.

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