了解HBM和IEC 61000-4-2 ESD標準的差異

操作於惡劣環境的電源轉換器在輸入或輸出節點上會隨時承受高壓瞬變，為了確保產品可靠度，請遵守元件級標準HBM和系統級標準IEC 61000-4-2以實現靜電放電(ESD)保護的功用。可惜的是，這些ESD標準經常被誤解，以導致經過驗證後的電子產品依然容易出現故障。對於使用者來說瞭解所有測試標準是非常重要的，因此本文的目的是描述兩種常用的ESD模型、標準測試方法以及放電差異。

 

緒論

工業4.0系統由感測器、嵌入可程式邏輯控制器和儲存設備等等所組成且大都放置於戶外，因此保持免受外在瞬態干擾威脅是很重要的，例如靜電放電(ESD)。靜電放電是指帶電物體接近甚至接觸另一個物體時，發生電荷重新分佈的現象，此可能會導致在短時間內快速流過高電流，引起致災性危險。靜電放電在日常生活中也時常發生，例如當在托盤上震動或輸送帶上移動的過程中，靜電荷可能會累積於設備上，一旦電源轉換器接腳觸碰到，靜電荷直接轉移並立即產生一個瞬態高電壓損傷內部元件，需要注意的是，人體也被視為帶電導體，可以將靜電轉移到任何設備上。在設計階段和生產階段都必須考慮到ESD的危害並提出保護措施，使其免受瞬態傷害，如下圖所示。

在製造過程內使用多種防止靜電敏感元件燒毀的有效方法，列出一些防止ESD損壞時建議的物品，例如穿戴防靜電手腕帶、防靜電墊/繩、連接插頭以及靜電屏蔽袋，這些都能夠減輕人體產生的靜電對電源轉換器破壞。

 

靜電放電測試標準介紹

為了確實地評估系統的抗靜電放電的強韌性，制定了許多測試標準，它們模擬了帶電物或人體透過電源轉換器對地面放電。目前，電源轉換器在出廠前都已通過嚴格的ESD測試標準，可用於更廣泛的領域，意味著在容易產生靜電的寒冷乾燥地區也不會影響電子產品的壽命。以下將分別介紹兩種靜電放電標準-人體模型(HBM)和IEC 61000-4-2的模型和測試方法，然後再比較兩者差異。

(1)人體模型(HBM)

人體模型是最廣泛接受的靜電放電測試。人體走在地板上時，靜電電荷會累積在身體上，一旦手指簡單觸碰或接近電源轉換器的接腳，靜電電荷會經由電源轉換器釋放到地面，此放電過程會在極短時間內產生數安培的電流，此導致不可逆的損壞，如圖2所示。人體模型(HBM)模擬人體放電的等效電路如圖3所示。帶電人體由100pF為模型，由瞬態電壓通過1MΩ電阻對100pF電容器充電，然而當帶電人體觸碰或接近金屬接腳時，透過開關和1.5kΩ電阻放電到地面或更低電位。

一般來說，HBM測試的放電電流上升時間大約在5到25ns之間，而放電衰減時間大約200ns。

(2) IEC 61000-4-2

IEC 61000-4-2是一個系統級標準，概述了電子設備的電磁抗擾度要求。該國際測試目的在確保使用者能承受不同操作條件下的瞬態事件。因此，所有電源轉換器必須模擬真實狀況產生的瞬態條件進行測試，測試過程中不能損壞待測物外觀和內部元件。

與HBM不同的是，IEC 61000-4-2標準使用150pF儲存靜電荷，當ESD靜電槍產生高強度靜電場並在電源轉換器上感應靜電放電。此時，透過電阻330Ω放電到電源轉換器接腳。

ESD放電波形如圖6所示，由於放電電阻僅330Ω，放電上升時間小於1ns並且在前60ns內耗散的大部分的瞬態能量。因此系統及ESD測試比HBM測試具更高能量的電流波形。

IEC 61000-4-2定義兩種測試方式:接觸放電與空氣放電。接觸放電是將ESD靜電槍直接接觸被測物，例如電源轉換器，如果元件之間的空間過小而無法碰到物體，則應該使用空氣放電，將ESD靜電槍靠近接腳直到發生電弧。

 

表1.IEC 61000-4-2 級別表
X是開放水平，此必須需要專用特殊規格中指定，並需要特殊的測試設備

Contact Discharge		Air Discharge
Level	Test Voltage (kV)	Level	Test Voltage (kV)
1	1	1	2
2	2	2	4
3	6	3	8
4	8	4	12
XNote1	Special	XNote1	Special

值得一提的是，兩種測試方式在每個等級被視為等效的，例如等級3的接觸放電6KV等同於空氣放電8kV。

 

(3)HBM和IEC 61000-4-2之間的差異

從圖3和圖5可看出，HBM和IEC 61000-4-2的充電電容和放電阻抗分別為100pF/1.5kΩ和150pF/330Ω，此說明IEC 61000-4-2標準具有更大的充電電容與更低的放電電阻，根據這些特性，IEC 61000-4-2的放電電流也明顯大於HBM，儘管是第二個峰值放電電流約18安培，也仍明顯超過HBM最大放電電流。這意味著，即使電源轉換器通過了 8kV 組件級 HBM 測試，它也可能會因 8kV 系統級 IEC 61000-4-2 測試而損壞。

表2. ESD峰值電流表

Applied Voltage(kV)	HBM Peak Current(A)	IEC 61000-4-2 Peak Current(A)
2	1.33	7.5
4	2.67	15
6	4.00	22.5
8	5.33	30.0
10	6.67	37.5

此電流差異對於電源轉換器使否保持原有特性是相當重要的，因此設計者會依照更嚴苛的標準來確保產品可以承受真實情況。

其次從圖4和圖6顯示了在相同的測試電壓下，兩個放電脈衝電流的上升時間差異有所不同。HBM的放電電流上升時間最大約25ns，但對於IEC 61000-4-2放電電流上升時間小於1ns，此脈衝電流在極短時間內即被消散大部分能量，因此符合HBM的電源轉換器未必會通過IEC 61000-4-2的瞬態電流能量。

另一個差異是單一測試期間內的ESD脈衝電流次數， HBM標準限制僅送入一次正脈衝和一次負脈衝，而IEC 61000-4-2卻要求至少送入十次正脈衝和十次負脈衝，並觀察電源轉換器的電氣特性來判斷有沒有符合標準。實際上，電源轉換器在工作期間遭受到多次ESD衝擊，故符合IEC 61000-4-2的電源轉換器對ESD衝擊有高耐受性。

 

結論

電源轉換器必須符合靜電放電的國際標準，以提高可靠性。一般而言，IEC 61000-4-2擁有較大的放電電流、較短的瞬間放電時間，以及較頻繁的電流脈衝次數，整體而言，IEC 61000-4-2 規定電子產品承載的能量遠高於 HBM。終端使用者了解產品規格書中的ESD規範，而選擇更快且更強大的保護元件來保護電源轉換器免於受到ESD衝擊的影響。

 

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