Tổng quan về Mô hình Cơ thể Người trong EMC

Mô hình cơ thể người (HBM) được sử dụng để định nghĩa các tiêu chuẩn EMC cho điện tử, bao gồm khả năng chịu điện áp trong các sự kiện ESD. Mô hình này là một mô hình mô phỏng được sử dụng để bắt chước khả năng ESD có thể xảy ra khi cơ thể người chạm vào thiết bị điện tử. Khi ESD xảy ra, năng lượng tiềm năng được lưu trữ trong lượng điện tích tích tụ trên cơ thể người sẽ được giải phóng vào mạch, và bất kỳ biện pháp bảo vệ nào cũng phải có khả năng phản ứng với sự kiện quá điện áp kết quả.

HBM không mô phỏng chính xác mọi nguồn ESD tiềm năng, nhưng nó giúp hiểu được ESD được tạo ra bởi sự chạm từ cơ thể người và cung cấp một phương pháp đủ điều kiện tiêu chuẩn hóa. Bởi vì rất nhiều tiêu chuẩn sử dụng HBM làm tham chiếu đối với đó điện áp chịu đựng ESD được định nghĩa, nên việc hiểu cách thiết kế theo các yêu cầu được định nghĩa bởi mô hình này là quan trọng.

Mạch tương đương trong HBM

HBM được thiết kế để mô tả hiện tượng cách một sự kiện ESD từ cơ thể người có thể phóng dòng điện vào mạch được bảo vệ. Điều này được thực hiện sử dụng mô hình mạch RC, và các giá trị linh kiện cụ thể được sử dụng trong mô hình mạch thay đổi dựa trên tiêu chuẩn được sử dụng để mô tả việc phóng điện trong một sự kiện ESD. Những giá trị này được sử dụng trong mô phỏng và đo lường để kiểm tra cách một hệ thống hoặc mạch tích hợp phản ứng với các xung ESD, và để đánh giá liệu mạch bảo vệ có thể chịu đựng được các mức độ ESD được quy định hay không.

Hình dưới đây cho thấy một cấu hình thử nghiệm tiêu biểu được sử dụng để đánh giá bảo vệ mạch trong các thông số kỹ thuật trong HBM như được định nghĩa trong một số tiêu chuẩn công nghiệp. Cấu hình thử nghiệm chủ yếu bao gồm một tụ điện (C) và điện trở (R), được quy định trong các tiêu chuẩn khác nhau. Cuộn cảm (L) đại diện cho độ tự cảm của kết nối dẫn từ máy phát sóng kiểm tra và DUT được bảo vệ. Phản ứng kết quả tại chân tín hiệu được giám sát và thiết bị có thể được kiểm tra sau khi tiếp xúc với sóng kiểm tra ESD để đánh giá hiệu quả của mạch bảo vệ.

Bảng dưới đây liệt kê một tập hợp các tiêu chuẩn kiểm tra xác định các thông số HBM và yêu cầu kiểm tra ESD. Các giá trị điện trở và tụ điện trong HBM thường lên đến 1.5 kOhms và 100-150 pF, tương ứng. Các thông số này điều kiện hình dạng sóng kiểm tra để có thời gian tăng và dòng điện đỉnh mong muốn cho một mức điện áp cho trước.

Giá trị điện trở lớn đại diện cho đặc tính điện trở của cơ thể người và hiệu quả làm chậm sự phóng điện xung đến giá trị quan sát được. Mặc dù hình dạng xung kiểm tra có thể hiển thị thời gian tăng 1-10 nanosecond, tốc độ phóng điện sẽ thay đổi nếu giá trị điện trở và tụ điện khác nhau. Điều này khá quan trọng nếu DUT hoặc mạch bảo vệ có tính chất điện dung, sẽ phải phản ứng khác biệt do điện dung của nó được mắc song song với bộ kiểm tra.

Tiêu chuẩn IEC 61000-4-2 phân loại mức độ miễn dịch của một hệ thống hoặc sản phẩm điện tử thành các lớp khác nhau dựa trên khả năng chịu đựng điện áp của chúng. Điện áp chịu đựng được xác định trong kiểm tra HBM được phân loại thêm thành các lớp. Điều này có thể được sử dụng để tiêu chuẩn hóa và phân loại thiết bị dựa trên mức độ miễn dịch ESD của nó. Các lớp phân loại được hiển thị dưới đây.

Yêu cầu Chịu Đựng đối với Các Linh Kiện

Một số linh kiện sẽ liệt kê mức độ tuân thủ của chúng đối với yêu cầu điện áp/dòng điện cực đại trong các hình dạng sóng kiểm tra HBM ngay trong bảng dữ liệu. Một ví dụ từ bảng dữ liệu cho bộ điều khiển dòng RS-232 của Texas Instruments (PN: SN65C3221E) được hiển thị dưới đây. Mục này cung cấp khả năng chịu điện áp cực đại như đã được kiểm tra đối với một HBM. Chúng ta cũng có thể thấy sự tuân thủ tiêu chuẩn được liệt kê trong phần giới thiệu này (trong trường hợp này là IEC-61000-4-2).

Như chúng ta có thể thấy ở trên, các linh kiện sẽ được sử dụng trong môi trường nơi ESD là một nguy cơ nên tuyên bố rõ ràng các tiêu chuẩn mà chúng nhằm tuân thủ, dù đó là chống lại mô hình HBM tiêu chuẩn hay một mô hình khác (xem bên dưới). Hãy chắc chắn bạn chọn kích cỡ bảo vệ ESD để tính toán, ít nhất sử dụng các giá trị tiêu chuẩn được đưa ra trong dạng sóng thử nghiệm HBM với một số giảm giá trị áp dụng.

Những Dạng Sóng Xung Có Thể Mong Đợi?

Ví dụ về các dạng sóng xung ESD thực tế có thể mong đợi trong một bài kiểm tra ESD hoặc trong trường hợp của một sự kiện ESD thực sự có thể được tìm thấy trong văn liệu nghiên cứu. Một bài báo từ năm 1993 được trình bày tại ISTFA là những ví dụ xuất sắc về các dạng sóng này. Bài báo này có thể được truy cập miễn phí tại liên kết sau:

• Kelly, M. A., G. E. Servais, và T. V. Pfaffenbach. "Một cuộc điều tra về sự phóng điện tĩnh điện của cơ thể người." Trong Hội nghị Quốc tế về Kiểm tra và Phân tích Hỏng hóc, tr. 167-167. American Technical Publishers LTD, 1993.

Nếu bạn xem xét một số dữ liệu thử nghiệm trong bài công bố trên, bạn sẽ thấy cách các tiêu chuẩn cho việc thử nghiệm ESD và yêu cầu chịu đựng liên quan đến dòng điện dự kiến, thời gian tăng dòng xung, và tốc độ xả như được mô tả trong HBM. Một số hình dạng sóng đo được ví dụ được hiển thị dưới đây; những hình này minh họa sự tương ứng giữa các nguồn xả khác nhau và kết quả được xác định khi thử nghiệm dưới HBM.

Sự biến đổi trong dòng điện đỉnh rất rõ ràng. Tuy nhiên, chúng ta có thể thấy rằng sự khởi đầu của ESD là một quá trình rất nhanh. Điều quan trọng ở đây là cơ chế bảo vệ phải phản ứng trong khoảng thời gian này và do đó ngăn chặn xung tăng dần từ việc chuyển năng lượng sang mạch được bảo vệ. Trong mọi trường hợp, ngay cả với các điện áp đỉnh rất cao có thể tương ứng với IEC-61000-4-2, chúng ta thấy rằng xung ESD đạt đến dòng điện đỉnh của nó trong khoảng 1 ns. Bất kỳ cơ chế bảo vệ nào được sử dụng để bảo vệ chống lại ESD phải phản ứng trong khoảng 1 ns, điều này đòi hỏi các diode nhanh.

Phương án thay thế cho HBM

HBM là một mô hình phổ biến được sử dụng để mô phỏng ESD phát sinh từ cơ thể con người. Tuy nhiên, HBM không phải là mô hình kiểm tra ESD duy nhất được sử dụng trong EMC, và điều quan trọng cần lưu ý là ESD không phát sinh từ cơ thể con người có thể không được mô phỏng chính xác bằng HBM. Các mô hình mô phỏng và kiểm tra thay thế bao gồm:

• Mô hình thiết bị tích điện (CDM); mô phỏng tình huống nơi một thiết bị điện tử trở nên tích điện và sau đó phóng điện khi nó tiếp xúc với một vật thể khác.
• Mô hình máy (MM); một tụ điện 200 pF được sử dụng để phóng một điện áp cụ thể qua một điện trở 0 ohm, tạo ra một dòng phóng nhanh chóng được giới hạn bởi giá trị ESR của tụ điện.

Các mô hình này mô phỏng các tình huống thay thế nơi các sự kiện ESD không nhất thiết phát sinh từ việc tiếp xúc với cơ thể con người. Ví dụ, hằng số thời gian hiệu quả của mạch tương đương RC được sử dụng trong các thiết lập kiểm tra này, HBM có hằng số thời gian vào khoảng micro giây, phản ánh sự giảm dần chậm của điện áp tụ điện trong quá trình phóng điện. Các mô hình khác được sử dụng để chuẩn hóa các sự kiện ESD tiềm năng từ các nguồn khác có thể dẫn đến các xung nhanh (1-10 ns) với sự giảm nhanh chóng về không.

Khi bạn muốn xây dựng các hệ thống nguồn điện ổn định và đáng tin cậy, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.