Download 4-Modelo BF-1 - Universidad de Buenos Aires

MODELOS EN
COMPATIBILIDAD
ELECTROMAGNETICA
Juan C. Fernandez
4.1 – Modelo BF-Circuitos
1
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
A partir de las ecuaciones de Maxwell es posible establecer las propiedades
de los elementos concentrados de circuito.
S
Sea un circuito formado por un material conductor de
conductividad , supuestamente constante en todo el
1
3
rango de frecuencia de interés.
2
Campo
D
Suponemos que las dimensiones del circuito cumplen la
C
EM
condición cuasi-estática: D << min
I
El circuito se halla bajo la acción de un campo electromagnético variable en el
tiempo, de modo que dentro del conductor se observa un campo eléctrico
aplicado E0, que da origen a la circulación de una corriente I.
Como estamos en el caso cuasi-estacionario, la corriente I
es (aprox.) la misma a lo largo de todo el circuito.
Ley de Ohm: E = j/.
Esta ecuación es válida para puntos interiores al conductor, como los tramos
1-2 y 3-1 en el circuito de la figura.
Pero también existe campo en el tramo 2-3, donde no hay conductor,
creado por la distribución de cargas en los extremos del conductor 2 y 3.
2
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
S
Ley de Ohm: E = j/.
1
Válida en los tramos 1-2 y 3-1 en el circuito de la figura.
3
Campo2
Campo cuasi-estático en el tramo 2-3, creado por la
D
C
EM
distribución de cargas en los extremos del conductor.
La circulación de la corriente variable en el tiempo genera
I
un campo magnético también variable en el tiempo, que
creará un campo eléctrico "inducido" sobre el conductor.
El campo en el interior del conductor 
se
entonces como la
A puede expresar
J
E
dr


dr

dr

dr

0
0

suma del campoaplicado
y uno inducido:
E = E0+ E'

t
C
C
C
C
A su vez, el campo inducido se puede expresar usando los potenciales
1
 LE0I 
electrodinámicos:
 0A / t   j / 
femE  E0IdtE
R
I
C
t
La circulación del campo a lo largo de todo el circuito es entonces:
 E0 dr    dr  
C
fem aplicada
caída
capacitiva
C
C
A
j
dr  
dr  0
t

C
caída
inductiva
caída
resistiva
3
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Definiciones de constantes concentradas
• Resistencia: R  
C
• Inductancia: L 
• Capacidad:
C
dl


C
 dl
C

I
m
Q
I
Q
-Q
1

2
C1
• Inductancia mutua:
M 12  M 21 
• Capacidad mutua: C12  C 21 
Q1
2
 m1

I2
Q2
1

 m2
C2
I1
I1
Q1
Q2
1
I2
2
4
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Fórmulas generales de capacidad y resistencia entre electrodos


S
2
Q
1
C
-Q
C
S
  E nˆ dS
S

E dr
2
R
I
1
C1 2
Si el medio entre electrodos es homogéneo:
C
CR 
fem

I

E dr
C1 2
 E
nˆ dS
S


Relaciones energéticas para el cálculo de capacidades e inductancias
1
Q2 1
1
2
U  C  
  D EdV    E 2dV
2
2C 2 V
2V
U
1 2 1
1
L I   B HdV    H 2dV
2
2V
2V
Todo el espacio
donde exista campo
5
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Ejemplos - Coaxil
Conductor
exterior
-I

Conductor
interior
b
H
a
I
b
r
aislación
dieléctrico
a

H
C
2 
C

l ln b / a 
Tipo
a (mm)
b (mm)
Le  0  b 

ln  
l
2  a 
r
Le/l
(Hy/m)
C/l
(pF/m)
RG58 CU
(50 )
1.45
5.0
2.25
0.25
101
RG11
(75 )
1.6
10.3
2.25
0.37
67
Li  0

l 8
Li / l  0.05 Hy / m
6
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Ejemplos - Coaxil
Conductor
exterior
aislación
2 
C

l ln b / a 
Bifilar
C


l ln d / a 
Conductor
interior
dieléctrico
Le  0  b  Li  0

ln  

l
2  a  l
8
2a
Le  0  d  a 

ln 

l
  a 
d
Solenoide
Cinta
Li
l
2
0
8
Toroide
z
a
I
L
 N 2h  b 
L
ln  
2
a
I
t
a
I
C1
b
C
l

C2
b
I
b
Le
a
l

a
b
L
  a 2 n 2
l
a
C2
C3
I
C1
b-a
h
7
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Ejemplos – inductancia mutua de espiras
Puede demostrarse que:
 8a

L1   a ln
 2 
 r0

D
donde:
a
b
 8b 
L2   b ln  2  M   ab F (k )
 r0

2
4ab
2

F (k )    k  K (k )  E (k )
k2  2
k
D  (a  b) 2
k

r0 es el radio de los conductores. K(k) y Ek son integrales elípticas completas de primera y segunda especie, respectivamente:
 2
K (k ) 

0
1
d
1  k 2 sen 2 

1
102
 2
E (k ) 
F(k)
10-
1  k sen  d
2
2
0
103
104
10-
 L  0.5 Hy
a  b  2 cm, D  1 cm  
 M  0.1 Hy
5
106
107
0
k
0.2
0.4
0.6
0.8
1
8
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos de una puerta
Vs

Zs
Thévenin
Ys  1 / Z s
I s  Vs / Z s
Is
↑
Ys
Norton
9
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de impedancias
I2
I1
V   Z I 
V2
V1
z11 
V1
I1
V   z
:  1    11
V2   z 21
z12 
I 2 0
V1
I2
z12   I 1 
z 22   I 2 
circuito abierto
I1  0
Para circuitos pasivos y lineales, vale la relación de reciprocidad: z12  z 21
Red T equivalente
I2
I1
Z 1  z11  z12
Z2
Z1
V1
Sólo 3 parámetros independientes
Z3
V2
z11  Z 1  Z 3
z 22  Z 2  Z 3
Z 3  z12
z12  z 21  Z 3
I2
I1
V1A
Serie de cuadripolos
Z 2  z 22  z12
[ZA]
VA   Z A I A 
V2A
V1
V2
V1B
[ZB]
V2B
VB   Z B I B 
V   Z A   Z B I 
10
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de impedancias (cont.) - Tensión y corriente sobre una carga
I1
IL
El equivalente Thévenin de la fuente es dato.
Vs
∼
Zs
[Z]
ZL
VL
Tenemos tres incógnitas: I1, IL y VL.
Las ecuaciones del cuadripolo son:
V1  z11 I 1  z12 I 2
V2  z 21 I 1  z 22 I 2
V1  Vs  I1Z s
Pero:
VL  V2
I L  I2
y quedan las siguientes ecuaciones:
VL  Z L I L
Vs  Z s I1  z11I s  z12 I L
Z L I L  z2 1I1  z22 I L
de donde se obtiene:
Z L  z22 Vs
I1 
Z L  z22 Z s  z11   z122
IL
z12 Vs
Z L  z22 Z s  z11   z122
2

Z L  z22  z11  z12
V1 
V
Z L  z22 Z s  z11   z122
VL 
z12 Z L
Vs
2
Z L  z22 Z s  z11   z12
11
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de admitancias
I   Y V 
I2
I1
V2
V1
I
y11  1
V1
I   y
:  1    11
 I 2   y 21
y12 
V2  0
I1
V2
y12  V1 
y 22  V2 
cortocircuito
V1  0
   1
La matriz de admitancias es la inversa de la matriz de impedancias: Y  Z
Red  equivalente
I2
I1
Yc
V1
Ya
Yb
V2
Ya  y11  y12
y11  Ya  Yc
Yb  y 22  y12
y 22  Yb  Yc
Paralelo de cuadripolos
I A   Y A Z A 
I B   YB VB 
y12  y 21  Yc
I2A
I1A
[YA]
I1
Yc   y12
I2
V1
V2
I1B
[YB]
I2B
I   Y A   YB V 
12
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de admitancias (cont.) - Tensión y corriente sobre una carga
I1
Is
↑
Ys
El equivalente Norton de la fuente es dato.
IL
[Y]
YL
VL Tenemos
nuevamente tres incógnitas: I1, IL y VL.
Procediendo como en el caso anterior se obtiene:
YL  y22  I s
YL  y22 Ys  y11   y122


YL  y22  y11  y122 I s
I1 
YL  y22 Ys  y11   y122
V1 
I L   I2  
VL  V2  
y12 YL I s
YL  y22 Ys  y11   y122
y12 I s
YL  y22 Ys  y11   y122
13
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de transmisión
la corriente en la puerta de "salida" tiene el
I 2
I1
sentido opuesto al de las representaciones
V1
V2
previas, de manera que los parámetros de la
puerta de "salida" del cuadripolo coinciden con
los parámetros de la puerta de "entrada" del
V1   A B  V2 
cuadripolo siguiente en la cascada.
 I   C D  I  
 2
 1 
Los parámetros de la matriz de transmisión:
A
V1
V2
B
I 2  0
V1
I 2
C
V2  0
I1
V2
D
I 2  0
I1
I 2
V2  0
son de distinto tipo. A y D son adimensionales, B es una impedancia llamada
trans-impedancia y C una admitancia llamada trans-admitancia.
I1
I2
V1
[ℭA]
[ℭB]
V2
En la cascada de dos cuadripolos las matrices
de transmisión se multiplican:
[ℭ] = [ℭA] [ℭB]
14
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de transmisión (cont.)
Tensión y corriente sobre una carga
Is
IL
Vs
∼
Zs
ZL
[ℭ]
VL  Z L I L
VL
Vs
IL 
 A  C Z s Z L  D Z s  B
Tabla de matrices de transmisión:
Impedancia en serie
Y
Admitancia en paralelo
Transformador ideal
1 Z 
0 1 


 1 0
Y 1


Z
1 n 0
 0 n


i ( L1 L2  M 2 ) 
1:n
M
Acoplamiento inductivo
L1
L2

 L1 M
1 iM

M
L2 M



15
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Matriz de transmisión (cont.)
El uso de la matriz de transmisión permite escribir fácilmente la matriz de
un circuito dividiéndolo en sus componentes individuales.
Ejemplo: Hallar la matriz de transmisión del circuito de la figura.
C
R
L
R
L
C
 A B  1 R   1 0 1 iL
C D   0 1  iC 1 0 1 

 



 A B  1  iRC iL  R(1   2 LC )

C D   
1   2 LC

  iC

16
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos pasivos de dos puertas
Relaciones entre las distintas representaciones matriciales
z
Z   11
 z 21
 y11
Y 
 y 21
z12  1  y 22
 

z 22  Y  y 21
 y12  1  A  
 

y11  C  1 D
y12  1  z 22
 

y 22  Z  z 21
B   1  z11
ℭ  CA D
 z  1
21
 z12  1  D  
 

z11  B  1 A 
1  y 22
Z


z 22 
y 21  Y
1
y11 
donde:
Z  z11 z 22  z12 z 21
Y  y11 y 22  y12 y 21
  AD  BC
17
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos activos de dos puertas
I1
+
Vs1
Vs2
~
~
+
[Z]
V1
I2
V2
V1   z11
V    z
 2   21
z12   I 1  Vs1 
 



z 22   I 2  Vs 2 
 I 1   y11
I    y
 2   21
y12  V1   I s1 
 



y 22  V2   I s 2 
I2
I1
V1
Is1
↓
[Y]
Vs
I1
Is
Is2
V2
I2
~
V1
↓
↓
[ℭ]
V2
V1   A B  V2  Vs 
 I   C D  I     I 
 2  s
 1 
Estos modelos activos están relacionados entre sí del mismo modo que los
modelos pasivos.
18
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
MODELO CUASIESTATICO – TEORIA DE CIRCUITOS
Modelos de parámetros concentrados – Modelos multipuerta
Vi +
Ii
+
[V] = [Z] [I]
I2
Vn-1
+
In-1
V2
[I] = [Y] [V]
[V] e [I] son vectores n-dimensionales y [Z] e [Y]
son matrices de nxn.
En el caso de la matriz de transmisión se dividen
Vn (artificialmente o no) las múltiples puertas en un
+ conjunto de puertas de "entrada" y un conjunto
In
de puertas de "salida".
I1
+
V1
[I1]
+
[V1]
Las relaciones entre las variables de puerta
llevan entonces a ecuaciones matriciales cuyos
elementos son en sí matrices:
+
1
1
2
2
m
n
[V2]
V1  A B V2 
I   C  D I  
 2 
 1 
[A], [B], [C] y [D] son matrices de mxn para el
ejemplo de la figura.
19
MODELOS EN
COMPATIBILIDAD
ELECTROMAGNETICA
Juan C. Fernandez
4.2 - Modelo BF-ESD
20
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
La descarga electrostática es el fenómeno de transferencia de
carga entre objetos a potenciales electrostáticos diferentes.
Triboelectricidad
Etapas
en lade
descripción:
Mecanismos
acumulación estática de carga en objetos
Se
llama carga
a la contacto
carga
obtenida
por contacto
y posterior
• Mecanismos
de triboeléctrica
acumulación
estática
de carga
en objetos.
Inducción
electrostática.
No
hay
entre
objetos.
Un objeto
separación,
que
intercambio
de electrones.
•cargado
Mecanismos
deinvolucra
de
la carga
genera
undescarga
campo el
eléctrico
queacumulada.
induce
el desbalance de carga sobre
Prácticamente
los
materiales
triboeléctricos.
Porseejemplo,
•elMecanismos
detodos
fallaLa
de
dispositivos
ante
pulsos
de carga.
objeto en estudio.
carga
neta delson
objeto
en estudio
no
altera. las
personas
se cargan por
y/o un
contacto
en la de
mayoría
situaciones.
• Triboelectricidad.
Se roce
produce
desbalance
carga de
porlas
contacto
con
•otro
La carga
deEn
uneste
cuerpo
está asociada
con un
potencial electrostático
objeto.
proceso
puede haber
transferencia
de carga. respecto
de tierra a través de la capacidad del cuerpo.
• La humedad del ambiente colabora a descargar
ESD los cuerpos cargados
triboeléctricamente.
Medio de generación de carga
Humedad ambiente
10 - 25%
65 - 90%
Caminar sobre carpeta
35000 V
1500 V
Caminar sobre piso de vinilo
12000 V
250 V
Trabajador en banco de trabajo
6000 V
100 V
Tomar bolsa de polietileno de banco de trabajo
20000 V
1200 V
Sentarse en silla con espuma de (poli)uretano
18000 V
1500 V
21
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
La cantidad de carga transferida por efecto triboeléctrico depende
de la separación de los materiales en la serie tribológica:
Máximo Positivo
Cuerpo Humano
Vidrio
Mica
Nylon
Lana
Plomo
Aluminio
Papel
0 --------------------
ALGODÓN
Madera
Acero
Níquel-Cobre
• Si dos de estos materiales se ponen en
contacto, el más alto en la serie cederá
electrones al otro, cargándose
positivamente (mientras que el otro
material adquirirá una carga negativa).
• Cuanto más separados se hallen los
materiales mayor es la transferencia de
carga, y por lo tanto, se genera una
diferencia de potencial mayor.
• Se observa que el cuerpo humano es el
material más tribo-positivo de la serie.
Goma
Poliester
PVC
Silicio
Máximo Negativo
Teflón
22
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Mecanismos de descarga de la carga acumulada
• Efectos de contacto superficial
superficial:(cont.):
involucran la rugosidad de las superficies,
la fuerza
La
transferencia
de contacto
triboeléctrica
y el calor causado
de cargapor
porlaadherencia
fricción o se
frotamiento
puede verificar
entre
las superficies.
con
una cinta adhesiva común de base a celulosa, que tiene una fuerte
Estos factores
adherencia
superficial
modifican
y una
la cantidad
gran superficie
de áreade
superficial
contacto, de
porcontacto
lo que sedurante
carga
el proceso. Cuanto mayor
considerablemente
al desplegarla
sea el área
o alde
quitarla.
la superficie de contacto mayor será
generalmente
Durante
el desplegado
la transferencia
el elemento
netafundamental
de carga triboeléctrica.
es la diferencia entre el
El área efectiva
material
base, que
dees
contacto
celulosaes
y menor
el adhesivo,
cuanto
que
mayor
habitualmente
sea la rugosidad
está basado
de las
superficies,
en
goma.
pero aumenta al aumentar la fuerza o presión del contacto. La
fricción
La
separación
también
de aumenta
estos elementos
el área efectiva,
en la serie
al tribológica
generar calor
indica
y deformar
que habrá
lasuna
superficies. de carga. Se obtienen diferencias de potencial de 20 KV o más
transferencia
El calor
en
este tipo
debido
de acinta.
la fricción puede aumentar la formación de enlaces químicos
entreefecto
Este
especies
es de ambas
importancia
superficies,
práctica
lo en
queelproduce
empaqueundefenómeno
chips sensibles
de
y
adherencia.
circuitos
impresos.
Al separar las superficies algunos de estos enlaces químicos se
rompen, la
También
y otros
adherencia
permanecen.
de partículas
En ambos
de polvo
casosapuede
cintashaber
adhesivas
una transferencia
cargadas
neta decrear
puede
carga.
contaminación
La probabilidad
en ambientes
de rupturalimpios,
de un enlace
por ejemplo,
químicoen
depende
la industria
de su
función
de
circuitos
trabajo.
integrados. Se fabrican actualmente cintas antiestáticas para
evitar estos problemas.
23
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Mecanismos
Mecanismos de
de descarga
descarga de
de la
la carga
carga acumulada
acumulada (cont.)
(cont.)
•• Reglas
FunciónPrácticas
trabajo
Regla
La función
de Cohen:
trabajo
cuando
es unasepropiedad
frotan dos
que
materiales
mide la habilidad
entre sí,de
el un
quematerial
tiene la de
permitividad
mantener susmás
electrones.
elevada se
Cuanto
cargamayor
positivamente.
es la función trabajo, más difícil es
Ecuación
que el material
de Beach:
ceda electrones durante el contacto.
La
• Reflujo
carga desuperficial
carga
adquirida por frotamiento es función de las
permitividades
La transferencia
relativas
de carga
de realizada
los objetos
durante
que se el
frotan.
contacto por los mecanismos
descriptos puede revertirse en parte durante la separación. Este proceso se
conoce como reflujo de carga,
y 6reduce la transferencia neta de carga
s  15  10 ( r1   r2 ) C / m
triboeléctrica.
• Ruptura gaseosa
Durante la separación puede ocurrir una ruptura gaseosa, porque la
rugosidad de la superficie se traduce en valles y picos a escala microscópica.
En los picos el campo eléctrico puede ser lo suficientemente intenso para
producir efecto corona y eventualmente la ruptura de las moléculas del aire
durante la separación. Este proceso puede producir una transferencia neta de
carga de una superficie a la otra a través del plasma formado en el aire. La
transferencia depende de la distancia de separación entre las superficies y
24
de las presiones parciales de las distintas especies en el gas.
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Mecanismos de descarga de la carga acumulada (cont.)
• Sin contacto galvánico
Cuando no hay contacto, la descarga se produce por ruptura dieléctrica del
gas, normalmente aire, que hay entre los objetos. Estas descargas se dan
tanto en CC como en CA.
Un arco se produce a bajas tensiones y altas corrientes (la soldadura de
arco emplea fuentes de unos 10 V y 10 kA) generando un alto calentamiento.
Una chispa ocurre en el caso inverso, es decir, altas tensiones y bajas
corrientes, como en algunos casos de ESD.
Una descarga luminiscente se produce en situaciones de alta presión (o muy
alto campo) cuando los electrones reciben suficiente energía para emitir
radiación luminosa en sus choques con los átomos o moléculas del gas en el que
se hallan.
Una corona es una descarga incipiente, que se produce cuando hay una
ruptura dieléctrica localizada debido a un campo que supera sólo localmente
al campo de ruptura del gas. El resto de la región presenta campos que no
superan el valor crítico y no se produce entonces un arco o chispa.
25
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Modelos de descarga en ESD
La energía de una descarga electrostática se puede acoplar al circuito víctima
mediante acoplamiento resistivo (contacto directo), capacitivo, inductivo y
radiación de campo cercano (cuando no hay contacto).
Para chequear la susceptibilidad de dispositivos a la ESD se han desarrollado
varios modelos y normas de procedimiento.
Todos los métodos de prueba modelan la descarga con un circuito para definir
el voltaje máximo que puede soportar el dispositivo a testear ante un evento
de ESD.
Este circuito consiste de una fuente de alta tensión
R
S
de salida variable que carga el capacitor C a través
Z
de una resistencia de valor alto R. Cambiando de
C
posición la llave S, el capacitor se descarga a través
Fuente
Dispositivo
de HT
a testear
de la impedancia Z sobre el circuito a testear. Los
valores de R, C y Z dependen del modelo usado.
26
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Modelos de descarga en ESD (cont.)
La forma de onda de la corriente de descarga es habitualmente una caída
precedida de algunas oscilaciones. El tiempo de caída y la amplitud de las
oscilaciones dependen de la impedancia de descarga.
I (A)
En la figura se muestra una forma de onda típica.
Existe habitualmente un pico precursor (y a veces
10
varios, formando una oscilación inicial) que
depende de la parte capacitiva en la impedancia de
la fuente de ESD.
Esta forma de onda da un espectro de frecuencias
de hasta 300 MHz, lo que requiere técnicas de
desacople en alta frecuencia además de la
t (ns)
protección estática o de baja frecuencia.
100
1
El testeo debe hacerse sobre todos los pines o conectores del dispositivo o
circuito a probar susceptibles a una posible descarga del tipo testeado
durante su montaje y/o uso, variando la tensión de la fuente desde cero
hasta el valor que presenta falla. El mínimo valor de tensión de falla entre
todas las configuraciones de conexión probadas determina la clase del 27
dispositivo bajo el particular modelo de prueba usado.
Precursor
1 a 3 ns
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Modelos de descarga en ESD (cont.)
HBM (Human Body Model)
El modelo más antiguo y más común es el Modelo de Cuerpo Humano, que
simula la descarga desde un cuerpo humano por contacto.
En este modelo R = 1-10 M,C = 100 pF, y la impedancia de descarga en
serie con el dispositivo a testear es puramente resistiva: Z = 1.5 K.
El tiempo de caída al 36.8% de la corriente pico es del orden de 150 ns y las
oscilaciones son habitualmente menores del 10% del valor pico.
Este modelo proviene del siglo XIX. Luego fue adoptado por normas
militares y civiles dado que la situación más común de ESD se da en la
manipulación humana de objetos.
El ensayo con este modelo permite hallar la susceptibilidad del dispositivo en
testeo. Por ejemplo, en la norma británica HBM-ESD STM5.1-1998 de la
ESD Association:
Clase
Rango de voltaje aceptable
Clase
Rango de voltaje aceptable
Clase 0
< 250 V
Clase 2
2000 V a 4000 V
Clase 1ª
250 V a 500 V
Clase 3A
4000 V a 8000 V
Clase 1B
500 V a 1000 V
Clase 3B
 8000 V
Clase 1C
1000 V a 2000 V
28
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Modelos de descarga en ESD (cont.)
MM (Machine Model)
En el Modelo de Máquina se simula la descarga desde un objeto conductor,
como una herramienta o dispositivo de anclaje metálico.
Este modelo se originó en el Japón como modelo de peor caso en la
manipulación de dispositivos.
En este modelo R > 10 M, C = 200 pF, y la impedancia de descarga en
serie con el dispositivo a testear es nula o se usa un inductor de L = 0.5
Hy, que limita la amplitud del pico precursor inicial de corriente.
La siguiente tabla, de la norma ANSI/ESD-S5.2-1994 da la clasificación
de acuerdo al Modelo de Máquina:
Clase
Rango de voltaje aceptable
Clase
Rango de voltaje aceptable
Clase M0
< 25 V
Clase M3
200 V a 400 V
Clase M1
25 V a 100 V
Clase M4
400 V a 800 V
Clase M2
100 V a 200 V
Clase M5
 800 V
29
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Modelos de descarga en ESD (cont.)
CDM (Charged Device Model)
El modelo de dispositivo cargado simula la descarga generada por el propio
dispositivo cuando se ha cargado previamente.
Esta carga puede generarse, por ejemplo, en el deslizamiento en una línea
de producción automática. El posterior contacto con alguna herramienta o
sujetador metálicos produce la descarga.
1
L
>10 M
C1
Fuente
de HT
Descarga
Dispositivo
a testear
C2
Placa de
tierra
Un método en uso actual coloca el
dispositivo sobre una placa metálica con
sus pines hacia arriba, lo carga y
finalmente lo descarga. C1 es la capacidad
parásita del dispositivo a tierra, C2 la
capacidad distribuida entre el dispositivo
y la placa de tierra, L la inductancia
parásita del dispositivo y sus elementos
de conexión, y la resistencia de 1 es la
del medidor de corriente.
30
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Modelos de descarga en ESD (cont.)
CDM
(Charged está
Device
Model)
Un
componente
adecuadamente
caracterizado si se ha clasificado según
estos
tres modelos
equivalentes).
La siguiente
tabla, (u
deotros
la norma
EOS/ESD-DS5.3-1993 da la clasificación
de acuerdo
de Dispositivo
cargado:
Por
ejemplo, al
unModelo
dado dispositivo
puede
tener los siguientes datos:
• Clase 1B (500
– 1000V,
HBM),
Clase
Rango de voltaje aceptable
Clase
Rango de voltaje aceptable
• Clase M1 (25
MM),
Clase–
C0100V,
< 125 V
Clase C3
500 V a 1000 V
• Clase C3 (500
– 1000V,
Clase C1
125 V a 250CDM).
V
Clase C4
1000 V a 2000 V
Clase C2
250se
V a deben
500 V
Clase C5 guía
 2000
Estas clasificaciones
tomar como
deV acción, no como valores
absolutos, dado que los eventos ESD son mucho más complejos que los
modelos utilizados para describirlos, y constituyen solamente una parte de
los programas de control y protección contra ESD.
Además, estos modelos sólo analizan la descarga. Los programas preventivos
deben tener en cuenta además mecanismos para evitar la carga triboeléctrica
de operadores, herramientas, dispositivos y objetos auxiliares.
31
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Daños por descargas ESD
Falla catastrófica
Destrucción, daño permanente.
Defecto latente
Daño no observable. Disminución de tiempo de
vida útil, disminución de la performance, falla esporádica o intermitente.
Susceptibilidad a descargas ESD
La posibilidad de daño de un evento ESD sobre un dispositivo sensible está
determinada por la habilidad del dispositivo para disipar la energía de la
descarga o soportar los niveles de voltaje involucrados.
Susceptibilidad de componentes electrónicos a ESD
Tipo de dispositivo
Susceptibilidad a ESD (V)
VMOS
30 – 1200
Mosfet. GaAsfet, EPROM
100 - 300
JFET
150 - 7000
OP-AMP
190 - 2500
Diodos Schottky
300 - 2500
Resistores de película
300 - 3000
TTL Schottky
1000 - 2500
32
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Técnicas de protección
Ambiente de producción
• Superficies disipativo-estáticas
• Conexiones a tierra
• Enlaces equipotenciales
• Ropa y herramientas adecuadas
• Control de humedad ambiente
• Técnicas de empaquetado
• Protocolos de operación y control
• Auditoría y entrenamiento
33
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
Técnicas de protección
Ambiente de uso
• Aislación dieléctrica
Una aislación adecuada puede prevenir descargas de ESD. Sin embargo,
todo ensamble aislador tiene juntas, agujeros, etc., por los que se pueden
desarrollar descargas.
• Blindaje
El blindaje evita que las corrientes de ESD ingresen al circuito protegido,
aunque no evita la descarga.
• Filtrado en líneas de señal
Los filtros impiden el pasaje de señales de interferencia conducida, pero
degradan la performance (ancho de banda) del circuito.
• Supresión de transitorios
Fundamentalmente en base a diodos zener, tiene mejor respuesta en
frecuencia que el filtrado.
• Aislación galvánica
Suprime el contacto entre partes del circuito (transformadores, acoples
ópticos, etc.). Buena protección pero más costosa.
• Protección del usuario
34
• Instrucciones de uso
MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA
DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)
NORMAS
CE
EN100015 - Protection of Electrostatic Sensitive Devices.
USA
ANSI-STM5.1-2001-2-2004rev – Human Body Model. Component level
ANSI-ESDSTM5.2-1999 – Machine Model. Component level
ANSI-ESDSTM5.3.1-1999 – Charge Device Model. Component level.
ANSI EOS/ESD S6.1-1991: Grounding—Recommended Practice.
MIL-STD-1686C: ESD Control Program for Protection of Electrical and
Electronic Parts, Assemblies, and Equipment (excluding Electrically
Initiated Devices).
MIL-HDBK-236B: ESD Control Handbook for Protection of Electrical and
Electronic Parts, Assemblies, and Equipment (excluding Electrically
Initiated Explosive Devices). Guía de buenos procedimientos.
35