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外部 ESD に伴うハード・ディスク・ドライブ内部の EMI

by Douglas C. Smith, D.C.Smith Consultants and Al Wallash, Maxtor Corporation

翻訳: T.Sato

今日のハード・ディスクで使われている GMR (巨大磁気抵抗効果) 再生ヘッドは、 静電気放電 (ESD) によって引き起こされるインパルス状電流による損傷、 そして近傍の ESD 事象によって生じる電磁干渉 (EMI) による損傷にさえも、 非常に敏感である [1,2,3]。 この作業において、我々はドライブ・エンクロージャ外の様々な ESD 事象に伴う ハード・ディスク・ドライブ内の EMI を測定する。

概要

以前の論文では、1m よりも大きい距離での ESD 事象からの電磁放射による GMR ヘッドの損傷もあり得ることを示した [1]。 調査されていなかった疑問は、ディスク・ドライブ・アセンブリが 内部の GMR ヘッドに対してどれだけのシールドを、すなわち保護を与えるかである。 ドライブの外部の ESD に対するドライブ・アセンブリ内での EMI の量を測定するために、 データが取られた。

試験セットアップ

Figure 1
Figure 1: ドライブ・ケースに取り付けられた SMA コネクタ

Figure 2A
Figure 2A: ドライブ内のループ

Figure 2B
Figure 2B: フレキシブル・ケーブルの近くへのループの配置

ドライブ内部の EMI 測定のためにディスク・ドライブが準備され、 そのドライブに直接、また間接的に ESD が印加された。

ドライブの準備

Figure 1、及び 2 は、その内部の EMI の測定のために ドライブがどのように改造されたかを示す。 ドライブ・エンクロージャの側面に２つの SMA コネクタが取り付けられ、 ドライブ内に小さいループが置かれた。 ヘッド・アセンブリへのフレキシブル・ケーブルの近くのループの位置は Figure 3 に示す。 このフレキシブル・ケーブルの近くにループを置くことは、内部フィールドとともに、 ケーブルに沿った降下の概算としての M di/dt 電圧降下を測定できるようにする。

第２の SMA コネクタは、オシロスコープや接続ケーブルが ESD によって生じる EMI が測定結果を汚染し得るようにしていないことを 確認するために用いられた。

ESD 試験の構成

Figure 3
Figure 3: 一般的な ESD 試験セットアップ

Figure 4
Figure 4: コネクタ・ピンへの ESD の印加

Figure 5
Figure 5: ドライブ・エンクロージャへの ESD の印加

Figure 6
Figure 6: ドライブへの間接 EMI の印加

Figure 3 は、一般的な試験セットアップを示す。 ドライブは、オシロスコープのシャーシに接地された。 このワイヤは、ESD 電流の大半をオシロスコープのシャーシの背面に流すように働いた。 オシロスコープの入力に接続された同軸ケーブルを流れる ESD 電流は、この接地ワイヤと、 その同軸ケーブルの両端のフェライト・コアの存在とによって最小限とされた。

ESD ストレスは、３つの方法でドライブに印加された：

ドライブへの ESD の印加は、Figure 4、5、及び 6 に示す。 Figure 4 は、コネクタ・ピンへの ESD の印加のためのセットアップを示す。 Figure 5 はドライブ・エンクロージャへの ESD の直接の印加を示し、 Figure 6 は ESD 事象からの放射 EMI を示す。 この EMI 発生器は、２枚の銅箔テープから作られている [4]。

Figure 6 では、EMI は 1mm よりも近付けて置かれた２枚の銅箔のあいだに 静電荷によってスパークを誘起することによって発生させられた。 近傍の AM ラジオの「ポップ音」は、スパークが発生したことを確認する。 発生する EMI は、非常に激しいものである。 ドライブへの接続をシミュレートするために、1m のフラット形 IDE ケーブルと、 電源コネクタのピン１に接続された 1m のリードが追加された。

この ESD シミュレータは、KeyTek MiniZap を IEC チップなしで用いたものである。 これは、実際の ESD をより良く代表する、より早い立上り時間を発生する。

結果

電源／グランド・ピンへの放電

Figure 7
Figure 7: 電源ピン #1 への放電の際のループ出力

Figure 8
Figure 8: ジャンパー・ピンへの放電の際のループ出力

コネクタ・ピンに印加された ESD は、驚くべき結果を生じた。 Figure 7 は、電源コネクタの角のピン、ピン１への 3kV 接触放電の結果を示す。 ドライブ内に組み込まれたループによって、 オシロスコープの 50Ω 負荷に対してほぼ 3V のピークがもたらされた！ これは、その電流が GMR ヘッドを流れたならばヘッドを損傷するのに充分な 60mA に相当する。 その同軸ケーブル ――高品質の RG-142B/U―― が「ヌル」の SMA コネクタに移された時、 オシロスコープはピークで 150mV の信号を示しただけであった。

この結果は、帯電したドライブへの電源ケーブルの挿入が GMR ヘッドを損傷し得る可能性を示した。

Figure 8 は、接触放電がジャンパー・ピンの１つに印加された時のループ・ピックアップを示す。 これは、ジャンパーの挿入や除去のために工具が用いられた際に ESD が生じそうな もう１つの点である。

50Ωの負荷への約 30mA となる約 1.5V のピーク値は、 GMR ヘッドに対して潜在的に危険なレベルである。 注目すべきもう別の点は、信号の２回のバーストである。 ドライブ内での二次放電がこれを生じたのかも知れないが、これは確認していない。

ヌル試験 (同軸ケーブルを短絡された SMA ジャックに接続する) は、許容範囲内の、 ピークで 150mV の出力を生じた。 これは、ピックアップを生じる小さいループを形成するワイヤではなく 金属箔でジャックを短絡すれば、より小さいものとなったであろう。

エンクロージャへの放電

Figure 9
Figure 9: ドライブ・エンクロージャ上面への放電の際のループ出力

Figure 10
Figure 10: SMA コネクタの近くの縁への放電の際のループ出力

Figure 9 は、ディスク・エンクロージャ上面、 その横側の中央のねじへの直接の 3kV 接触放電からのループ・ピックアップを示す。 この結果はピークで約 1V で、ドライブの上面の他の位置への場合と似ている。

ピックアップ・ループの信号の振幅は、Figures 7、及び 8 に示す、 ESD がコネクタの２つのピンに印加された時のものよりもやや小さかった。 ヌル試験の結果は 150mV であった。

Figure 10 は、ドライブの上面の、SMA コネクタのすぐ上の縁への接触放電の結果を示す。 この出力はピークで約 3.5V であり、ヌル試験の結果はピークで 1V であった。 ヌル試験コネクタに形成される小さいループが、他の寄生的ピックアップとともに、 ヌル試験の結果に寄与した。 放電の SMA コネクタとの近さが、ドライブのガスケットが導電性でないという事実と組み合わさって、 カバーとベースのあいだで ESD 電流がドライブに侵入できるようにしていることに注意されたい。

導電性ガスケットの効果をシミュレートするために、 ドライブの SMA コネクタと同一の側の縁に沿って銅テープが貼られた。 Figure 10 に示したものと同一の放電に対して、 メイン・ループの出力はピークで 3.5V からピークで 1V へと大幅に低下した。 この結果は、ドライブのカバーと本体のあいだの導電性ガスケットが ドライブの内部コンポーネントの外部 ESD からの相当の保護を与え得ることを示唆している。

ESD 事象からの放射 EMI

Figure 11
Figure 11: 銅箔スパーク・ギャップからのループ・ピックアップ

Figure 12
Figure 12: ESD シミュレータ自己放電からのループ・ピックアップ

Figure 6 に示した試験セットアップと KeyTek MiniZap ESD シミュレータを用いて 放射性試験が行なわれた。 ドライブ・アセンブリから約 1m の距離で、 シミュレータのグランド・リードへの 4kV での接触放電が行なわれた。

Figure 11 は、銅箔ギャップ・スパーク発生器が Figure 6 に示したように保持された場合の 検出ループの出力を示す。 そのような構成はそのように近い範囲では実に激しい放射 EMI を生じ、 他のセッティングにおいては様々な機器の問題を誘発した。 記録された最大の電圧は約 200mV であり、ヌル試験 SMA 出力は約 10mV であった。

Figure 12 は、約 1m の距離で、 ESD シミュレータでそのグランド・リードへの接触放電を行なった際の結果を示す。 これは、以前の論文 [1] で自由空間中の GMR ヘッドをこの距離から融かすことができた構成である [1]。 この結果は、銅箔スパーク・ギャップと同様、約 200mV であった。 この試験においては、ヌル試験は約 30mV であった。

200mV のレベルは、50Ωへの約 4mA を示す。 これは接触放電のように厳しい問題ではない。 だが、ヘッドがさらに敏感になれば、問題は増加し得る。

以上の波形の観察： 上の波形のいくつか (Figures 7、8、9、10、及び 12) には、 主要事象の約 4ns 前にオシロスコープに到達する若干の EMI がある。 Figure 11 ではこれは見られず、 これがあるのは ESD シミュレータを用いていない時の波形のみであった。 最初のノイズの量は、ヌル試験のレベルと同程度でもあった。 主要事象の遅延が、自由空間におけるシミュレータとオシロスコープのあいだの伝搬時間 (約 2ns) と 同軸を通した遅延 (約 6ns) の差に相当していることに注意されたい。 これは、激しい接触放電からの直接放射が オシロスコープに小さい信号を誘起したのかも知れないことを示唆する。 ESD の近傍で試験機器を使う際には、非常に慎重にしなければならない。

結論

最初の試験は、外部 ESD が ディスク・ドライブの内部に相当の誘起電圧を生じる可能性があることを示した。 主な問題は直接放電に伴うものであるが、 エンクロージャのシールド効果が向上されなければ将来は放射事象も問題となるかも知れない。

このデータは、ドライブ・カバーでの導電性ガスケットの使用が ドライブ内のフィールドと誘起電圧を大幅に低減するであろうことを示唆する。 ESD 条件下での GMR ヘッドの両端の実際の電圧を測定するためには、 さらなる作業が必要である。

謝辞

Agilent Technologies、及び KeyTek Instruments に感謝したい。 これらの企業は、この記事で用いられた試験機器 (Infinium オシロスコープ、及び MiniZap ESD シミュレータ) を提供してくれた。

参考文献

Copyright (C) 2003 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2003-08-06