Come eseguire correttamente i test ESD a livello di sistema di livello elevato

Oggi le connessioni via cavo USB ad alta velocità sono ovunque, con velocità dati fino a 10 Gb/s come nei dispositivi USB3 Superspeed+, o anche superiori. Poiché gli utenti finali collegano i cavi USB nelle loro case, che rappresentano ambienti elettrostaticamente non sicuri, i fornitori di sistemi richiedono livelli elevati di robustezza ESD a livello di sistema, in genere una scarica di contatto di 15 kV secondo IEC 61000-4-2 [1].

Non è una cosa da poco interpretare correttamente i risultati dei test a livello di sistema sulle schede ad alta velocità. I produttori di schede (OEM) valutano la robustezza ESD del loro sistema mediante test sulle armi, non sempre in conformità con lo standard IEC. In particolare, i terminali esposti vengono spesso zappati direttamente. Questa procedura è simile allo Human Metal Model (HMM) [2]. Un recente studio round robin condotto a livello di settore [3,4], tuttavia, ha mostrato una varianza molto ampia nei test HMM fino a 5 kV. Una delle principali cause dell'irriproducibilità sono gli artefatti legati alle armi, che verranno discussi di seguito.

Verrà dimostrato che il test HMM a 50 Ω fornisce invece un test molto più riproducibile, che, inoltre, si correla molto bene con le simulazioni SEED [5] del sistema. Anche in questo caso, i guasti prematuri al primo picco possono portare a risultati di test significativamente inferiori al previsto, poiché le induttanze nel sistema determinano la distribuzione di corrente tra protezione e SoC nel primo picco a bassi livelli di corrente. La causa principale è descritta in dettaglio di seguito e verranno proposte soluzioni di protezione efficaci.

Cosa posso aspettarmi quando installo una pistola ESD in una scheda di interfaccia USB3?

Un NoiseKen ESS-2000AX con una pistola TC815R viene utilizzato per fornire una scarica di contatto in un ingresso RX del connettore USB sulla scheda (Figura 1). La scheda viene inserita in uno slot PCI di un PC. La tensione della pistola inizia a 200 V e viene aumentata in incrementi di 100 V fino a quando la scheda non funziona correttamente, il che viene rilevato inserendo una spina loopback Passmark PMUSB3 nella porta USB che monitora la velocità dei dati. Se il trasferimento dati USB3 a 5 Gb/s fallisce, la scheda torna al trasferimento dati USB2 a 480 Mb/s, tramite pin separati.

Si è riscontrato che senza protezione integrata la scheda si guasta a 600 V, che rappresenta la robustezza ESD intrinseca dell'IC USB3. Con la protezione, il livello di guasto varia da circa 1 kV a 5 kV, che è inaspettatamente basso e anche altamente irriproducibile.

Come posso verificare se la pistola è conforme alle specifiche?

Controllare sempre prima la calibrazione della forma d'onda della pistola sparando su un bersaglio di calibrazione Pellegrini da 2 Ω montato su un piano di terra sufficientemente grande. La Figura 2 mostra un esempio di tre forme d'onda di corrente a 1 kV, registrate utilizzando una sonda Fischer-F65 collegata a un oscilloscopio Tektronix DPO7254 da 2,5 GHz. La riproducibilità delle scariche nel bersaglio Pellegrini da 2 Ω si dimostra molto buona e la forma d'onda della corrente è conforme alle specifiche: per una scarica da 1 kV, la norma [1] prevede una ampiezza del 1° picco di 3,75 A con una deviazione massima di 15 % e una seconda ampiezza di picco di 2 A con una deviazione massima del 30%.

Successivamente, in conformità con le raccomandazioni sulle migliori pratiche di HMM [2], viene verificata la forma d'onda della pistola nell'RX USB3 in un PC (Figura 3). In questo caso il telaio del PC definisce il terreno.

La pistola viene sparata in un adattatore SMA collegato all'ingresso RX di una scheda USB3, qui inserito in uno slot PCI di una scheda madre Gigabyte X99SLI. La pistola era impostata su scariche ripetute (una al secondo). Si teneva a mano mentre la punta era sostenuta dal connettore SMA. Pertanto, tra le dimissioni non si sono verificate modifiche intenzionali all'impostazione. Tuttavia, in questa configurazione la forma d'onda della corrente è molto meno riproducibile. La Figura 4 mostra che il 2° picco rimane stabile e sul target (2 A), ma l'ampiezza del primo picco ora varia tra il 65% e il 125% del target di 3,75 A a 1 kV, che è chiaramente fuori specifica (± 15% [1 , 2]), in contrapposizione alle forme d'onda attuali nel target Pellegrini (cfr. Figura 2).

L'ampiezza del primo picco è determinata dall'accoppiamento capacitivo della terra del cannone con la terra mondiale, che è ovviamente influenzato dal piano di terra attorno all'EUT. L'impatto del piano terra può essere studiato utilizzando un bersaglio Pellegrini con e senza un grande piano terra. Senza piano di massa il primo picco diminuisce del 40%, il che potrebbe spiegare l'ampiezza inferiore nella Figura 4. Non è chiaro cosa causi esattamente i cambiamenti involontari all'accoppiamento capacitivo durante lo zapping ripetitivo.