Visão Geral do Modelo do Corpo Humano em CEM

O modelo de corpo humano (HBM, na sigla em inglês) é utilizado para definir padrões EMC para eletrônicos, incluindo tensões de suporte durante eventos de ESD. O modelo é um modelo de simulação usado para imitar o ESD potencial que pode ocorrer quando o corpo humano toca um dispositivo eletrônico. Quando ocorre um ESD, a energia potencial armazenada na carga acumulada no corpo humano será liberada para o circuito, e quaisquer medidas de proteção devem ser capazes de responder ao evento de sobretensão resultante.

O HBM não modela com precisão todas as possíveis fontes de ESD, mas ajuda a entender o ESD gerado pelo toque do corpo humano e fornece uma abordagem de qualificação padronizada. Como muitos padrões usam o HBM como referência contra a qual as tensões de suporte a ESD são definidas, é importante entender como projetar de acordo com os requisitos definidos por este modelo.

Circuito Equivalente no HBM

O HBM é destinado a descrever fenomenologicamente como um evento ESD do corpo humano poderia descarregar corrente em um circuito protegido. Isso é feito usando um modelo de circuito RC, e os valores específicos dos componentes usados no modelo de circuito variam com base no padrão utilizado para descrever a descarga durante um evento ESD. Esses valores são usados em simulação e medição para examinar como um sistema ou circuito integrado responderá a pulsos ESD, e para avaliar se os circuitos de proteção podem suportar níveis especificados de ESD.

A imagem abaixo mostra uma configuração de teste típica usada para avaliar a proteção de circuito dentro das especificações no HBM conforme definido em certos padrões da indústria. A configuração de teste consiste principalmente de um capacitor (C) e um resistor (R), que são especificados em vários padrões. O indutor (L) representa a indutância da interconexão que leva do gerador de forma de onda de teste ao DUT protegido. A resposta resultante no pino de sinal é monitorada e o dispositivo pode ser testado após exposição à forma de onda de teste ESD para avaliar a eficácia do circuito de proteção.

A tabela abaixo lista um conjunto de padrões de teste que definem os parâmetros HBM e os requisitos de teste de ESD. Os valores de resistores e capacitores no HBM são tipicamente de até 1,5 kOhms e 100-150 pF, respectivamente. Esses parâmetros condicionam a forma de onda do teste para ter o tempo de subida e a corrente de pico desejados para uma dada exposição de tensão.

Um valor grande de resistor leva em conta as características resistivas do corpo humano e efetivamente desacelera a descarga de pulso para o valor observado. Enquanto a forma de onda de teste pode exibir um tempo de subida de 1-10 nanosegundos, a taxa de descarga variará se os valores do resistor e do capacitor forem diferentes. Isso é bastante importante se o DUT ou o circuito de proteção forem capacitivos, o que terá que responder de maneira diferente devido à sua capacitância estar em paralelo com o equipamento de teste.

O padrão IEC 61000-4-2 divide os níveis de imunidade de um sistema eletrônico ou produto em diferentes classes com base na sua capacidade de suportar tensão. A tensão de suporte determinada nos testes HBM é posteriormente dividida em classificações. Isso pode ser usado para padronizar e categorizar equipamentos com base no seu nível de imunidade a ESD. Essas classificações são mostradas abaixo.

Requisitos de Resistência para Componentes

Alguns componentes listarão seu nível de conformidade contra os requisitos de tensão/corrente de pico em formas de onda de teste HBM diretamente na ficha técnica. Um exemplo da ficha técnica para um driver de linha RS-232 da Texas Instruments (PN: SN65C3221E) é mostrado abaixo. Esta entrada fornece uma capacidade de tensão de pico suportável conforme testado contra um HBM. Também podemos ver a conformidade com as normas listadas nesta seção introdutória (neste caso, IEC-61000-4-2).

Como podemos ver acima, componentes que serão utilizados em ambientes onde ESD é um perigo devem declarar explicitamente quais padrões pretendem cumprir, seja contra um modelo HBM padronizado ou algum outro modelo (veja abaixo). Certifique-se de dimensionar qualquer proteção contra ESD para levar em conta, no mínimo, os valores padronizados fornecidos na forma de onda de teste HBM com algum derating aplicado.

Quais Formas de Onda de Pulso Podem Ser Esperadas?

Exemplos de formas de onda de pulso ESD práticas que seriam esperadas em um teste ESD ou no evento de um ESD real podem ser encontrados na literatura de pesquisa. Um artigo de 1993 apresentado no ISTFA oferece excelentes exemplos dessas formas de onda. Este artigo pode ser acessado gratuitamente no seguinte link:

• Kelly, M. A., G. E. Servais, e T. V. Pfaffenbach. "Uma investigação da descarga eletrostática do corpo humano." No Simpósio Internacional para Testes e Análise de Falhas, pp. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Se você examinar alguns dos dados de teste na publicação acima, verá como os padrões para testes de ESD e requisitos de resistência se relacionam com a corrente esperada, tempo de subida do pulso e taxa de descarga conforme descrito no HBM. Alguns exemplos de formas de onda medidas são mostrados abaixo; estes ilustram a correspondência entre várias fontes de descarga e os resultados determinados com testes sob o HBM.

A variação nas correntes de pico é bastante clara. No entanto, podemos ver que o início do ESD é um processo muito rápido. O que importa aqui é que o mecanismo de proteção deve responder dentro desta janela de tempo e, assim, evitar que o pulso crescente transfira energia para o circuito protegido. Em todos os casos, mesmo com tensões de pico muito altas que corresponderiam ao IEC-61000-4-2, vemos que o pulso de ESD atinge sua corrente de pico em aproximadamente 1 ns. Qualquer mecanismo de proteção que seria usado para proteger contra ESD deve responder em cerca de 1 ns, o que exige diodos rápidos.

Alternativas ao HBM

O HBM é um modelo comum usado para simular ESD gerado pelo corpo humano. No entanto, o HBM não é o único modelo de teste ESD usado em EMC, e é importante notar que ESD que não resulta do corpo humano pode não ser modelado com precisão usando o HBM. Esses modelos alternativos de simulação e teste incluem:

• Modelo de dispositivo carregado (CDM); simula situações em que um dispositivo eletrônico se torna carregado e depois descarrega quando entra em contato com outro objeto.
• Modelo de máquina (MM); um capacitor de 200 pF é usado para descarregar uma tensão específica através de um resistor de 0 ohm, proporcionando uma descarga muito rápida que é limitada pelo valor ESR do capacitor.

Esses modelos representam situações alternativas onde eventos ESD não necessariamente resultam do contato com o corpo humano. Por exemplo, a constante de tempo efetiva do circuito RC equivalente usado nestes setups de teste o HBM tem uma constante de tempo na ordem de microssegundos, refletindo o decaimento lento da tensão do capacitor de teste durante a descarga. Esses outros modelos são usados para padronizar eventos ESD potenciais de outras fontes que podem resultar em pulsos rápidos (1-10 ns) com decaimentos muito mais rápidos para zero.

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