Mal de tête des concepteurs ESD avec plusieurs exigences de test automobile, partie I

La tendance à « l'électrification intelligente » de la société est à l'origine du besoin d'immunité aux décharges électrostatiques au niveau du système. La CEI 61000‑4‑2 [1] définit comment effectuer le test d'immunité aux décharges électrostatiques au niveau du système. Jusqu'à il y a environ 15 ans, la protection contre de tels événements impliquait la mise en œuvre de protections ESD ad hoc (TVS - suppresseurs de tension transitoire) au niveau de la carte/du système à proximité des connecteurs faisant interface avec le "monde extérieur".

Cependant, une nouvelle tendance consistant à implémenter la robustesse au niveau du système au niveau des composants (c'est-à-dire sur puce) devient rapidement une pratique courante, principalement en raison du désir de réduire les coûts de conception du système/carte.

Bien que cela puisse sembler une étape logique sur le papier, cela pose d'énormes défis au concepteur de composants ESD dans la mesure où :

Dans le monde automobile, la situation est encore plus difficile. En plus de l'immunité ESD au niveau du système (ISO 10605 [2], adaptée de la CEI 61000-4-2), il existe une pléthore d'autres exigences concernant l'immunité aux perturbations électriques (ISO 7637 [3, 4, 5]) et aux perturbations RF (CEI 62132 [6]) qui doivent être respectées.

Cet article est divisé en deux parties. Cette première partie aborde les défis de conception ESD découlant des spécifications ISO 10605, tandis que la deuxième partie passera en revue les compromis entre la conception ESD et les exigences d'immunité CEM.

Pour répondre à la demande de solutions ESD IEC sur puce compétitives (avec des cibles supérieures à 30 A pour les spécifications de niveau 4), la mise en œuvre d'un schéma de protection basé sur SCR est indispensable. Grâce à sa faible tension de maintien, cette solution est extrêmement avantageuse en termes de dissipation de puissance. Cependant, cela peut se faire au prix d'un écart important entre la tension de déclenchement et la tension de maintien, ce qui peut provoquer une conduction de courant non uniforme et rendre la solution inefficace. Cela jouera un rôle dans les différences spécifiques entre la CEI 61000-4-2 et l'ISO 10605 du point de vue de la conception ESD.

L'ISO 10605 spécifie quatre combinaisons RC différentes (R=330Ω, R=1,5KΩ, C=150pF et 330pF), conduisant à des temps de décroissance des impulsions allant de 60ns à 600ns. La ou les combinaisons RC réelles requises au niveau de la carte/du système peuvent ne pas être connues au moment de la conception des composants. La conséquence directe est que le concepteur ESD doit valider la solution ESD sur les quatre formes d'onde de contrainte, avec des largeurs d'impulsion, des contenus énergétiques et des temps de montée complètement différents.

Dans [7], il a été signalé qu'un SCR HV répondant aux exigences CEI niveau 4 (correspondant à ISO avec R = 330Ω et C = 150pF) a lamentablement échoué à toutes les autres permutations de contrainte ISO avec une capacité et des résistances plus grandes. La cause principale a été identifiée dans le manque d'évolutivité de la puissance du SCR HV causé par une formation de filaments statiques pour des impulsions supérieures à 100 ns. Une corrélation de premier ordre entre la durée de contrainte TLP et le niveau ISO a également été établie (voir Figure 1 [7]).

Figure 1 : Le TLP à impulsions longues peut imiter l'impact des différentes combinaisons du test ISO [7]

Pour atteindre l'objectif de performance, une nouvelle architecture a dû être conçue avec un retard évident dans les efforts de développement de produits. Un problème similaire (c'est-à-dire le manque de corrélation entre le test TLP et ISO avec R = 1,5 K Ω) a également été signalé dans [8].

Alors que les quatre formes d'onde de contrainte dans la norme ISO 10605 sont assez bien définies, il n'y a aucune garantie que les mêmes formes d'onde soient réellement exercées au niveau du composant. Il s'agit du principal problème conceptuel derrière la notion de mise en œuvre de la robustesse ESD au niveau du système au niveau du composant, c'est-à-dire que les formes d'onde réelles vues sur les broches connectées en externe du composant sont fonction de la mise en œuvre spécifique à la carte/au système (traces de connexion et/ou composants discrets). En particulier, les charges inductives (c'est-à-dire les longues traces de carte, la présence d'inductances de mode commun ou les décharges à travers de longs câbles) entraîneront un écart significatif par rapport aux formes d'onde attendues de la norme ISO 10605, à la fois en durée (peut devenir beaucoup plus longue) et en forme (oscillatoire, au lieu de décroissance exponentielle).

Malheureusement, le comportement des composants des pinces ESD utilisés pour la robustesse au niveau du système est fortement fonction de la forme d'onde de contrainte. L'essentiel est qu'il est pratiquement impossible de garantir la robustesse au niveau du système ESD au niveau des composants sans connaître tous les détails de l'implémentation du système/de la carte. Une conséquence de ce fait est que la pratique consistant à spécifier la robustesse ESD au niveau du système sur la fiche technique d'un composant est inutile et pourrait être trompeuse.

Un paramètre typique impacté par la mise en œuvre du système est le temps de montée observé au niveau des composants. Il a été rapporté dans [9] que de fortes charges inductives sur les broches CAN pouvaient augmenter le temps de montée d'une contrainte ISO 10650 à > 50 ns. Ces valeurs lentes ont impacté le mécanisme de déclenchement de la cellule ESD, provoquant des déclenchements non uniformes, donc non conformes aux spécifications. Encore une fois, une nouvelle disposition avec contre-lestage interne a été conçue pour minimiser la dépendance de la cellule ESD au temps de montée.

Des inductances de mode commun (CMC) sont souvent nécessaires pour répondre aux exigences d'émission CEM dans les bus de communication différentiels (LIN, CAN, etc.), avec une inductance typique de 100 µH. Un CMC est placé directement dans le chemin de décharge ESD et, en principe, on s'attendrait à un amortissement haute fréquence bénéfique de l'énergie ESD. Malheureusement, un CMC présente un fort comportement de saturation (dû à la saturation en ferrite), ce qui se traduit par une réduction drastique de l'inductance au-delà d'un certain seuil de courant. De plus, un CMC présente généralement une caractéristique de retour en arrière indésirable pour les densités de courant ESD. Ce comportement hautement non linéaire peut forcer la protection ESD au niveau des composants à entrer et à sortir du snapback plusieurs fois, en fonction de la densité de courant. Cela pourrait conduire à une mise en marche non uniforme (Figure 2), entraînant une défaillance prématurée de la protection ESD au niveau des composants [10].

Figure 2 : Densité de courant et température de réseau d'un SCR soumis à une double impulsion de déclenchement, à l'origine de la présence de CMC. On peut voir que la deuxième impulsion provoquera une conduction filamentaire dans l'appareil, qui n'est pas en mesure de répondre à l'objectif de spécification ISO [10]

L'environnement automobile est extrêmement rude pour les systèmes électroniques. Pour garantir un fonctionnement fiable dans toutes les conditions possibles, des exigences strictes d'immunité CEM sont appliquées. Du point de vue ESD, les exigences d'immunité CEM entrent parfois en conflit avec les exigences ESD, ce qui rend la co-conception ESD-IP extrêmement difficile.

Comme mentionné précédemment, l'ISO 7637 est utilisée pour caractériser les systèmes automobiles contre une variété de perturbations électriques transitoires qui peuvent se produire dans un environnement automobile. Ceux-ci sont causés par les différents scénarios par lesquels des charges inductives (comme le moteur) ou la batterie peuvent être commutées/déconnectées. Les impulsions de test les plus courantes sont 1, 2a/2b, 3a/3b, 4 et 5a/b, qui diffèrent en termes de polarités, d'amplitudes, de largeur d'impulsion et de temps de montée. Bien que toutes différentes, ces impulsions de test présentent un contenu énergétique bien supérieur à celui qu'une cellule ESD de niveau composant (HBM, CDM) peut supporter [11].

Cependant, les cellules ESD au niveau des composants conçues pour répondre à l'immunité ESD au niveau du système peuvent supporter un niveau d'énergie beaucoup plus élevé. Par conséquent, il est de plus en plus courant que les cellules ESD au niveau des composants remplissent une double fonction, c'est-à-dire qu'elles garantissent à la fois l'immunité ESD et CEM aux perturbations électriques. Par conséquent, de plus en plus de fiches techniques de composants font état de la robustesse par rapport à la norme ISO 7637 des broches qui se connecteront au monde extérieur.

La co-conception de l'immunité ESD et de l'immunité aux perturbations électriques n'est pas anodine. Outre la capacité à résister à des durées de type CC avec les impulsions de test 1, 2 et 5, les temps de montée lents qui leur sont associés nécessiteront que la protection ESD soit déclenchée par niveau. Cela implique la disponibilité d'une jonction avec des pannes appropriées pour prendre en charge à la fois les exigences ESD et CEM.

En plus de l'immunité aux perturbations électriques, les systèmes automobiles doivent également être robustes dans leur défense contre les perturbations RF conformément à la norme IEC62132-4. Une méthode d'injection directe de puissance (DPI) est utilisée pour mesurer l'immunité électromagnétique d'un CI de 150 KHz à 1 GHz. L'interaction entre l'immunité ESD et le DPI n'est pas simple, car l'ESD et le DPI ont des fronts de tension à montée rapide, bien qu'avec des amplitudes différentes.

Dans [11], le cas d'une broche LIN passant l'immunité ESD mais échouant au test DPI a été rapporté. Il a été constaté que le bruit injecté dans le substrat (puis couplé à la broche LIN) par la cellule ESD déclenchée par RC pendant le test DPI était le coupable de l'échec du test. Une nouvelle cellule ESD déclenchée par le niveau a dû être conçue pour résoudre le problème. De la même manière, dans [12], une cellule ESD robuste déclenchée par RC a échoué au test DPI, principalement à basses fréquences. Une refonte du circuit de déclenchement RC était nécessaire pour résoudre le problème, car il n'était pas possible de concevoir une cellule ESD à déclenchement de niveau efficace pour l'immunité ESD.

D'après les exemples ci-dessus, il semblerait que les cellules ESD déclenchées par le niveau soient nécessaires pour répondre aux exigences DPI. Cependant, il existe des situations où les cellules ESD déclenchées par RC sont hautement souhaitables. L'un de ces scénarios est lorsqu'une protection anti-retour inductive est nécessaire. C'est généralement le cas pour les broches de sortie entraînant des charges inductives, telles que des câbles externes et/ou des selfs. Lorsque l'alimentation est coupée, il est pratique (c'est-à-dire qu'aucune protection inductive supplémentaire n'est nécessaire) de libérer l'énergie stockée dans les inductances via la cellule ESD. Cela se fait généralement par déclenchement RC de la cellule ESD en mode de conduction MOS pour maintenir les tensions à des niveaux sûrs. Comme le montre l'exemple ci-dessus, les exigences fonctionnelles peuvent conduire à des exigences de conception opposées sur les cellules ESD.

La tendance à migrer progressivement l'immunité ESD et CEM du système/de la carte vers le niveau des composants crée des défis sans précédent pour le concepteur de composants ESD. Les implications de la co-conception d'immunité EMC-ESD ont été passées en revue ici, ainsi que plusieurs études de cas. Dans la partie 2 de cet article, nous passerons en revue les compromis entre la conception ESD et les exigences d'immunité CEM.

automobileesdGianluca Boselliessais

Le Dr Gianluca Boselli travaille chez Texas Instruments, Inc., Dallas, Texas, depuis 2001 et est actuellement responsable de l'équipe ESD de l'entreprise. Boselli a rédigé et présenté de nombreux articles sur l'ESD et le verrouillage. Il a également occupé plusieurs postes de direction au sein de l'association EOS/ESD, en tant que président en 2018-2019 et actuellement membre du conseil d'administration de l'association.

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