Обзор модели человеческого тела в ЭМС

Модель человеческого тела (HBM) используется для определения стандартов ЭМС для электроники, включая напряжения, выдерживаемые при событиях электростатического разряда (ESD). Модель представляет собой симуляционную модель, используемую для имитации потенциального ESD, который может произойти, когда человеческое тело касается электронного устройства. Когда происходит ESD, потенциальная энергия, накопленная в заряде на человеческом теле, будет высвобождена в цепь, и любые защитные меры должны быть способны реагировать на возникающее перенапряжение.

Модель HBM не точно моделирует каждый потенциальный источник ESD, но она помогает понять ESD, генерируемый прикосновением человеческого тела, и предоставляет стандартизированный подход к квалификации. Поскольку многие стандарты используют HBM в качестве эталона, по отношению к которому определяются напряжения, выдерживаемые при ESD, важно понимать, как проектировать в соответствии с требованиями, определенными этой моделью.

Эквивалентная схема в HBM

HBM предназначен для феноменологического описания того, как событие ESD от человеческого тела может разрядить ток в защищенную цепь. Это делается с использованием модели RC-цепи, и конкретные значения компонентов, используемых в модели цепи, варьируются в зависимости от стандарта, используемого для описания разряда во время события ESD. Эти значения используются в симуляции и измерениях для изучения того, как система или интегральная схема будет реагировать на импульсы ESD, и для оценки того, могут ли защитные цепи выдерживать указанные уровни ESD.

На изображении ниже показана типичная тестовая установка, используемая для оценки защиты цепи в соответствии со спецификациями в HBM, как определено в некоторых отраслевых стандартах. Тестовая установка в основном состоит из конденсатора (C) и резистора (R), которые указаны в различных стандартах. Индуктивность (L) представляет собой индуктивность соединения, ведущего от генератора тестовых волн и защищенного испытуемого устройства. Результирующий отклик на контактном выводе контролируется, и устройство может быть протестировано после воздействия на тестовую волну ESD для оценки эффективности защитной цепи.

В таблице ниже перечислены стандарты тестирования, определяющие параметры HBM и требования к испытаниям на ЭСР. Значения резисторов и конденсаторов в HBM обычно достигают до 1,5 кОм и 100-150 пФ соответственно. Эти параметры настраивают форму тестового сигнала так, чтобы получить желаемое время нарастания и пиковый ток при заданном напряжении воздействия.

Большое значение резистора учитывает резистивные характеристики человеческого тела и эффективно замедляет разряд импульса до наблюдаемого значения. Хотя форма сигнала теста может показывать время нарастания 1-10 наносекунд, скорость разряда будет варьироваться, если значения резистора и конденсатора различны. Это довольно важно, если испытуемое устройство или защитная схема являются емкостными, что потребует от них другой реакции из-за их емкости, соединенной параллельно с испытательной установкой.

Стандарт IEC 61000-4-2 классифицирует уровни иммунитета электронной системы или продукта на разные классы в зависимости от их способности выдерживать напряжение. Определенное напряжение, установленное в ходе испытаний HBM, далее разделяется на классификации. Это может использоваться для стандартизации и категоризации оборудования на основе его уровня иммунитета к ЭСР. Эти классификации показаны ниже.

Требования к устойчивости компонентов

Некоторые компоненты указывают свой уровень соответствия пиковым напряжениям/токам требованиям в формах сигналов испытаний HBM непосредственно в техническом описании. Пример из технического описания для драйвера линии RS-232 от Texas Instruments (PN: SN65C3221E) показан ниже. Эта запись предоставляет пиковую устойчивость к напряжению, проверенную на HBM. Также мы можем видеть соответствие стандартам, указанное в этом вводном разделе (в данном случае, IEC-61000-4-2).

Как мы видим выше, компоненты, которые будут использоваться в условиях, где существует опасность ЭСР (электростатического разряда), должны четко указывать, каким стандартам они стремятся соответствовать, будь то стандартизированная модель HBM или какая-либо другая модель (см. ниже). Убедитесь, что вы подбираете защиту от ЭСР с учетом, как минимум, стандартизированных значений, приведенных в тестовом сигнале HBM, с некоторым понижающим коэффициентом.

Какие импульсные волны можно ожидать?

Примеры практических импульсных волн ЭСР, которые можно ожидать во время теста на ЭСР или при реальном событии ЭСР, можно найти в научной литературе. Один из докладов 1993 года, представленный на ISTFA, приводит отличные примеры этих волн. Доступ к этой работе можно получить бесплатно по следующей ссылке:

• Kelly, M. A., G. E. Servais, и T. V. Pfaffenbach. "Исследование электростатического разряда человеческого тела." На Международном симпозиуме по тестированию и анализу неисправностей, стр. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Если вы изучите некоторые тестовые данные в вышеупомянутом публикации, вы увидите, как стандарты испытаний на ЭСР и требования к устойчивости связаны с ожидаемым током, временем нарастания импульса и скоростью разряда, как описано в HBM. Ниже показаны некоторые примеры измеренных форм сигналов; они иллюстрируют соответствие между различными источниками разряда и результатами, полученными при испытаниях в соответствии с HBM.

Вариация пиковых токов довольно очевидна. Однако мы видим, что начало ЭСР - это очень быстрый процесс. Здесь важно, чтобы механизм защиты реагировал в этом временном окне и таким образом предотвращал передачу энергии возрастающего импульса защищаемой цепи. Во всех случаях, даже при очень высоких пиковых напряжениях, которые соответствовали бы IEC-61000-4-2, мы видим, что импульс ЭСР достигает своего пикового тока примерно за 1 нс. Любой механизм защиты, который использовался бы для защиты от ЭСР, должен реагировать примерно за 1 нс, что требует быстрых диодов.

Альтернативы HBM

HBM является распространенной моделью, используемой для моделирования ЭСР, генерируемого человеческим телом. Однако HBM не является единственной моделью испытаний на ЭСР, используемой в ЭМС, и важно отметить, что ЭСР, не происходящий от человеческого тела, может быть не точно смоделирован с использованием HBM. К альтернативным моделям моделирования и испытаний относятся:

• Модель заряженного устройства (CDM); моделирует ситуации, когда электронное устройство заряжается и затем разряжается при контакте с другим объектом.
• Модель машины (MM); используется конденсатор на 200 пФ для разряда определенного напряжения через резистор на 0 ом, что обеспечивает очень быстрый разряд, ограниченный значением ESR конденсатора.

Эти модели описывают альтернативные ситуации, когда события ЭСР не обязательно происходят из-за контакта с человеческим телом. Например, эффективная постоянная времени эквивалентной RC-цепи, используемой в этих испытательных установках, HBM имеет постоянную времени порядка микросекунд, что отражает медленное убывание напряжения тестового конденсатора во время разряда. Эти другие модели используются для стандартизации потенциальных событий ЭСР от других источников, которые могут привести к быстрым импульсам (1-10 нс) с гораздо более быстрым спадом до нуля.

Когда вы хотите построить стабильные и надежные энергосистемы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.