Przegląd modelu ciała ludzkiego w EMC

Model ciała ludzkiego (HBM) jest używany do określania standardów EMC dla elektroniki, w tym napięć wytrzymałych podczas zdarzeń ESD. Model ten jest modelem symulacyjnym używanym do naśladowania potencjalnego ESD, które może wystąpić, gdy ciało ludzkie dotknie urządzenia elektronicznego. Gdy wystąpi ESD, potencjalna energia zgromadzona w naładowanym ładunku na ciele człowieka zostanie uwolniona do obwodu, a wszelkie środki ochronne muszą być w stanie odpowiedzieć na wynikające z tego przepięcie.

Model HBM nie odwzorowuje dokładnie każdego potencjalnego źródła ESD, ale pomaga zrozumieć ESD generowane przez dotyk ciała ludzkiego i zapewnia ustandaryzowane podejście kwalifikacyjne. Ponieważ tak wiele standardów używa HBM jako punktu odniesienia, do którego definiowane są napięcia wytrzymałe na ESD, ważne jest, aby zrozumieć, jak projektować zgodnie z wymaganiami określonymi przez ten model.

Równoważny obwód w modelu HBM

Model HBM ma na celu fenomenologiczne opisanie, jak zdarzenie ESD generowane przez ludzkie ciało może rozładować prąd do chronionego obwodu. Jest to realizowane za pomocą modelu obwodu RC, a konkretne wartości komponentów używane w modelu obwodu różnią się w zależności od standardu, który opisuje rozładowanie podczas zdarzenia ESD. Te wartości są używane w symulacjach i pomiarach, aby zbadać, jak system lub układ scalony będzie reagować na impulsy ESD, oraz ocenić, czy obwody ochronne mogą wytrzymać określone poziomy ESD.

Obraz poniżej pokazuje typową konfigurację testową używaną do oceny ochrony obwodu w ramach specyfikacji w HBM, jak określono w pewnych standardach branżowych. Konfiguracja testowa składa się głównie z kondensatora (C) i rezystora (R), które są określone w różnych standardach. Cewka (L) reprezentuje indukcyjność połączenia prowadzącego od generatora przebiegów testowych do chronionego DUT. Rezultat odpowiedzi na pinie sygnałowym jest monitorowany, a urządzenie może być testowane po ekspozycji na przebieg testowy ESD, aby ocenić skuteczność obwodu ochronnego.

Poniższa tabela zawiera zestaw norm testowych określających parametry HBM oraz wymagania dotyczące testów ESD. Wartości rezystorów i kondensatorów w HBM wynoszą zwykle do 1,5 kOhm i 100-150 pF, odpowiednio. Parametry te warunkują przebieg testowy tak, aby miał pożądany czas narastania i szczytowy prąd przy danej ekspozycji napięcia.

Wysoka wartość rezystora odpowiada za rezystancyjne cechy ciała ludzkiego i efektywnie spowalnia rozładowanie impulsu do zaobserwowanej wartości. Chociaż forma fali testowej może wykazywać czas narastania 1-10 nanosekund, szybkość rozładowania będzie się różnić, jeśli wartości rezystora i kondensatora są inne. Jest to dość ważne, jeśli DUT lub obwód ochronny są pojemnościowe, co będzie musiało odpowiedzieć inaczej ze względu na to, że jego pojemność jest równoległa do układu testowego.

Standard IEC 61000-4-2 dzieli poziomy odporności systemu elektronicznego lub produktu na różne klasy w oparciu o ich zdolność wytrzymywania napięcia. Określone napięcie wytrzymałościowe, znalezione w testach HBM, jest dalej dzielone na klasyfikacje. Może to być użyte do standaryzacji i kategoryzacji sprzętu na podstawie jego poziomu odporności na ESD. Te klasyfikacje są pokazane poniżej.

Wymagania dotyczące odporności komponentów

Niektóre komponenty bezpośrednio w karcie katalogowej mogą zawierać informacje o poziomie zgodności z maksymalnym napięciem/prądem wymaganym w testach HBM. Przykład z karty katalogowej sterownika linii RS-232 firmy Texas Instruments (PN: SN65C3221E) jest pokazany poniżej. Ta pozycja dostarcza informacji o maksymalnym napięciu wytrzymałościowym, testowanym przeciwko HBM. Możemy również zobaczyć zgodność ze standardami wymienioną w tej sekcji wprowadzającej (w tym przypadku IEC-61000-4-2).

Jak widzimy powyżej, komponenty, które będą używane w środowiskach, gdzie ESD stanowi zagrożenie, powinny wyraźnie określać, z którymi normami zamierzają być zgodne, czy to w oparciu o ustandaryzowany model HBM, czy jakiś inny model (patrz poniżej). Upewnij się, że dobierasz ochronę ESD tak, aby uwzględniała przynajmniej ustandaryzowane wartości podane w przebiegu testowym HBM z pewnym zastosowanym deratingiem.

Jakie przebiegi impulsów można oczekiwać?

Przykłady praktycznych przebiegów impulsów ESD, które można oczekiwać podczas testu ESD lub w przypadku rzeczywistego zdarzenia ESD, można znaleźć w literaturze naukowej. Jeden z artykułów z 1993 roku przedstawiony na ISTFA doskonale ilustruje te przebiegi. Artykuł ten jest dostępny za darmo pod poniższym linkiem:

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

Jeśli przyjrzysz się niektórym danym testowym w powyższej publikacji, zobaczysz, jak standardy testowania ESD i wymagania dotyczące wytrzymałości odnoszą się do oczekiwanego prądu, czasu narastania impulsu i szybkości rozładowania, jak opisano w HBM. Poniżej pokazano przykładowe zmierzone przebiegi; ilustrują one zależność między różnymi źródłami wyładowań a wynikami uzyskanymi podczas testowania zgodnie z HBM.

Wariacja szczytowych prądów jest dość wyraźna. Jednakże, widzimy, że początek ESD jest bardzo szybkim procesem. Tutaj ważne jest, aby mechanizm ochronny odpowiedział w tym oknie czasowym i tym samym zapobiegł przeniesieniu energii przez rosnący impuls do chronionego obwodu. We wszystkich przypadkach, nawet przy bardzo wysokich napięciach szczytowych, które odpowiadałyby IEC-61000-4-2, widzimy, że impuls ESD osiąga swój szczytowy prąd w przybliżeniu w 1 ns. Każdy mechanizm ochronny, który miałby być użyty do ochrony przed ESD, musi odpowiedzieć w około 1 ns, co wymaga szybkich diod.

Alternatywy dla HBM

HBM jest powszechnie używanym modelem do symulacji ESD generowanego przez ludzkie ciało. Jednakże HBM to nie jedyny model testowania ESD używany w EMC, i ważne jest, aby zauważyć, że ESD nie pochodzące od ludzkiego ciała mogą nie być dokładnie modelowane przy użyciu HBM. Te alternatywne modele symulacji i testowania obejmują:

• Model urządzenia naładowanego (CDM); symuluje sytuacje, w których urządzenie elektroniczne staje się naładowane, a następnie rozładowuje się, gdy wejdzie w kontakt z innym obiektem.
• Model maszynowy (MM); używa kondensatora o pojemności 200 pF do rozładowania określonego napięcia przez rezystor o oporze 0 omów, dając bardzo szybkie rozładowanie, które jest ograniczone przez wartość ESR kondensatora.

Te modele alternatywne opisują sytuacje, w których zdarzenia ESD niekoniecznie wynikają z kontaktu z ludzkim ciałem. Na przykład, efektywna stała czasowa równoważnego obwodu RC używanego w tych ustawieniach testowych HBM ma stałą czasową rzędu mikrosekund, odzwierciedlając wolny spadek napięcia testowego kondensatora podczas rozładowania. Te inne modele są używane do standaryzacji potencjalnych zdarzeń ESD pochodzących z innych źródeł, które mogą skutkować szybkimi impulsami (1-10 ns) z znacznie szybszym spadkiem do zera.

Kiedykolwiek chcesz zbudować stabilne i niezawodne systemy zasilania, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.