複数の自動車テスト要件による ESD 設計者の悩み、パート I

社会の「スマート電化」への傾向により、システムレベルでの ESD 耐性の必要性が高まっています。 IEC 61000‑4‑2 [1] は、システム レベルで静電気放電イミュニティ テストを実行する方法を定義しています。 約 15 年前までは、このようなイベントから保護するには、「外部世界」と接続するコネクタの近くにボード/システム レベルでアドホック ESD 保護 (TVS – 過渡電圧抑制装置) を実装する必要がありました。

しかし、主にシステム/ボード設計コストを削減したいという要望から、コンポーネント レベル (つまりオンチップ) でシステム レベルの堅牢性を実装するという新しいトレンドが急速に標準的な手法になりつつあります。

これは机上では論理的なステップのように聞こえるかもしれませんが、コンポーネントの ESD 設計者にとっては、次の点で非常に大きな課題となります。

自動車の世界では、状況はさらに困難です。 システムレベルでの ESD 耐性 (IEC 61000-4-2 を基にした ISO 10605 [2]) に加えて、両方の電気的妨害に対する耐性に対処するその他の要件が多数あります (ISO 7637 [3、4、5])。そして満たさなければならないRF障害(IEC 62132 [6])。

この記事は 2 つの部分に分かれています。 この最初の部分では ISO 10605 仕様に起因する ESD 設計の課題に対処し、2 番目の部分では ESD 設計と EMC 耐性要件の間のトレードオフを検討します。

面積競争力のあるオンチップ IEC ESD ソリューション (レベル 4 仕様で 30A を超えるターゲット) の需要に応えるには、SCR ベースの保護スキームの実装が必須です。 このソリューションは保持電圧が低いため、消費電力の点で非常に有利です。 ただし、これにはトリガ電圧と保持電圧の間で大きな変動が生じる可能性があり、これにより電流伝導が不均一になり、解決策が無効になる可能性があります。 これは、ESD 設計の観点から、IEC 61000-4-2 と ISO 10605 の間の具体的な違いに影響を及ぼします。

ISO 10605 では 4 つの異なる RC の組み合わせ (R=330Ω、R=1.5KΩ、C=150pF、および 330pF) が規定されており、パルス減衰時間は 60ns ～ 600ns になります。 ボード/システム レベルで必要な実際の RC の組み合わせは、コンポーネントの設計時には不明な場合があります。 単純な結果として、ESD 設計者は、パルス幅、エネルギー量、立ち上がり時間が完全に異なる 4 つの応力波形すべてで ESD ソリューションを検証する必要があります。

[7] では、IEC レベル 4 要件を満たす HV SCR (R = 330Ω、C = 150pF の ISO に相当) は、より大きな静電容量と抵抗を使用した他のすべての ISO ストレス順列に無残にも失敗したと報告されました。 根本原因は、100ns を超えるパルスでの静的フィラメント形成によって引き起こされる HV SCR の電力スケーラビリティの欠如にあることが特定されました。 TLP ストレス持続時間と ISO レベルの間の一次相関も確立されました (図 1 [7] を参照)。

図 1: ロングパルス TLP は、ISO テストのさまざまな組み合わせの影響を模倣できます [7]

パフォーマンス目標を達成するには、新しいアーキテクチャを考案する必要がありましたが、製品開発の取り組みは明らかに遅れました。 同様の問題 (つまり、R=1.5K Ω での TLP と ISO テスト間の相関の欠如) も [8] で報告されています。

ISO 10605 の 4 つの応力波形はかなり明確に定義されていますが、同じ波形がコンポーネント レベルで実際に適用されるという保証はありません。 これは、システムレベルの ESD 堅牢性をコンポーネント レベルで実装するという概念の背後にある主要な概念的問題です。つまり、コンポーネントの外部接続ピンで見られる実際の波形は、ボード/システム固有の実装 (接続トレース) の関数です。および/またはディスクリートコンポーネント)。 特に、誘導負荷 (つまり、長い基板配線、コモンモードチョークの存在、または長いケーブルを介した放電) は、持続時間 (大幅に長くなる可能性がある) と形状 (代わりに振動) の両方において、予想される ISO 10605 波形からの大幅な逸脱を引き起こします。指数関数的に減衰します)。