Como executar corretamente o teste ESD de alto nível de sistema

Hoje, conexões de cabo USB de alta velocidade estão por toda parte, com taxas de dados de até 10 Gb/s como em dispositivos USB3 Superspeed+, ou até mais. Como os usuários finais conectam cabos USB em suas casas, que representam ambientes eletrostaticamente inseguros, os fornecedores de sistemas exigem altos níveis de robustez ESD no nível do sistema, normalmente descarga de contato de 15 kV de acordo com a IEC 61000-4-2 [1].

Não é uma questão trivial interpretar adequadamente os resultados dos testes no nível do sistema em placas de alta velocidade. Os fabricantes de placas (OEMs) avaliam a robustez ESD de seu sistema por meio de testes de pistola, nem sempre de acordo com o padrão IEC. Em particular, os terminais expostos são frequentemente zapeados diretamente. Este procedimento é similar ao Human Metal Model (HMM) [2]. Um recente estudo round robin em toda a indústria [3,4], no entanto, mostrou uma variação muito grande nos testes HMM de até 5 kV. Uma das principais causas da irreprodutibilidade são os artefatos de armas, que serão discutidos abaixo.

Será mostrado que o teste HMM de 50 Ω fornece um teste muito mais reprodutível, que, além disso, se correlaciona muito bem com as simulações SEED [5] do sistema. Mesmo neste caso, falhas precoces no primeiro pico podem levar a resultados de teste significativamente mais baixos do que o esperado, porque as indutâncias no sistema determinam a distribuição de corrente entre proteção e SoC no primeiro pico em baixos níveis de corrente. A causa raiz é descrita em detalhes abaixo e soluções de proteção eficazes serão propostas.

O que posso esperar ao disparar uma arma ESD em uma placa de interface USB3?

Um NoiseKen ESS-2000AX com uma pistola TC815R é usado para fornecer uma descarga de contato em uma entrada RX do conector USB na placa (Figura 1). A placa é inserida em um slot PCI de um PC. A tensão da pistola começa em 200 V e é aumentada em etapas de 100 V até que a placa falhe funcionalmente, o que é detectado inserindo um plugue de loopback Passmark PMUSB3 na porta USB que monitora a taxa de dados. Se a transferência de dados USB3 a 5 Gb/s falhar, a placa volta para a transferência de dados USB2 a 480 Mb/s, por meio de pinos separados.

Verificou-se que sem proteção on-board a placa falha em 600 V, que é a robustez ESD inerente do USB3 IC. Com proteção, o nível de falha varia de cerca de 1 kV a 5 kV, o que é inesperadamente baixo e também altamente irreprodutível.

Como faço para verificar se a arma está em Spec?

Sempre verifique primeiro a calibração da forma de onda da pistola atirando em um alvo de calibração Pellegrini de 2 Ω montado em um plano de aterramento suficientemente grande. A Figura 2 mostra um exemplo de três formas de onda de corrente a 1 kV, registradas usando uma sonda Fischer-F65 conectada a um osciloscópio Tektronix DPO7254 de 2,5 GHz. A reprodutibilidade das descargas no alvo Pellegrini de 2 Ω mostra-se muito boa e a forma de onda da corrente está dentro da especificação: para uma descarga de 1 kV, a norma [1] estipula uma amplitude de 1º pico de 3,75 A com um desvio máximo de 15 % e amplitude do 2º pico de 2 A com desvio máximo de 30%.

Em seguida, de acordo com a recomendação de boas práticas do HMM [2], a forma de onda da pistola no USB3 RX em um PC é verificada (Figura 3). O chassi do PC define o aterramento neste caso.

A arma é disparada em um adaptador SMA conectado à entrada RX de uma placa USB3, encaixada aqui em um slot PCI de uma placa-mãe Gigabyte X99SLI. A arma foi ajustada para descargas repetidas (uma por segundo). Ele foi segurado com a mão enquanto sua ponta era suportada pelo conector SMA. Assim, nenhuma mudança intencional na configuração ocorreu entre as descargas. No entanto, a forma de onda atual é muito menos reproduzível nesta configuração. A Figura 4 mostra que o 2º pico permanece estável e no alvo (2 A), mas a amplitude do primeiro pico agora varia entre 65% e 125% do alvo de 3,75 A em 1 kV, o que está claramente fora da especificação (± 15% [1 , 2]), em oposição às formas de onda atuais no alvo Pellegrini (cf. Figura 2).

A amplitude do 1º pico é determinada pelo acoplamento capacitivo do aterramento da pistola ao aterramento mundial, que obviamente é influenciado pelo plano de aterramento ao redor do ESE. O impacto do plano de solo pode ser estudado usando um alvo Pellegrini com e sem um grande plano de solo. Sem plano de terra, o primeiro pico diminui em 40%, o que pode explicar a menor amplitude na Figura 4. Não está claro o que exatamente causa as alterações não intencionais no acoplamento capacitivo durante o zapping repetitivo.