AN5612 STM32 MCU和MPU的ESD保护

只看该作者 · 2024-12-28 23:48

AN5612 是 STMicroelectronics 提供的一份应用笔记，旨在帮助设计人员了解如何为 STM32 MCU微控制器和 MPU微处理器实施有效的 ESD静电放电保护。

ESD 威胁概述
ESD 是一种常见的电磁现象，会对电子器件造成以下问题：

短时间内产生高电压和高电流可能损坏敏感电子元件。
导致 MCU/MPU 功能异常或永久性损坏。
在设计中，ESD 的主要来源包括：

人体放电（HBM）。
机器放电（MM）。
静电感应。

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STM32 MCU/MPU 的 ESD 保护特性
STM32 系列器件内部已经集成了基本的 ESD 保护电路：

输入/输出引脚的钳位保护二极管。
供电引脚的去耦电容。
满足工业标准的抗静电能力，如 IEC 61000-4-2 标准。
然而，为了满足严苛的工业环境需求，通常需要在外部设计额外的 ESD 保护电路。

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ESD 保护设计原则
为了提高系统的 ESD 抗扰度，应遵循以下设计原则：

1. PCB 设计注意事项
优化接地设计：

使用多层 PCB，确保一层为完整的接地平面。
降低接地阻抗，确保静电能量能迅速泄放。
信号线布线规则：

最小化高频信号线的长度以减少干扰。
保持信号线和地线之间的距离，降低耦合效应。
增加电源和信号线的旁路电容（如 100nF 和 1µF 的组合）。
电源去耦：

在电源引脚附近放置多个电容，形成不同频段的滤波。
在关键位置使用 TVS（瞬态电压抑制）二极管。

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外部保护器件
TVS 二极管：

为 I/O 引脚提供快速钳位保护。
选择合适的工作电压和钳位电压以保护敏感引脚。
放置在靠近 I/O 接口的地方。
串联电阻：

在信号线中串联小阻值电阻（如 10Ω-100Ω），限制瞬态电流。
特别适用于高速通信接口，如 UART、I2C 等。
共模扼流圈：

在信号线上加入共模扼流圈，用于抑制高频共模噪声。
3. 特定接口的 ESD 保护
GPIO 引脚：

使用低电容 TVS 二极管保护，同时避免影响信号完整性。
通信接口：

USB、SPI、UART 等高速接口需要使用超低电容的 TVS 二极管。
对于差分接口（如 USB 和 CAN），建议在两根差分线上加入匹配的 ESD 保护器件。
供电引脚：

在 VDD 和 GND 间放置高质量的 TVS 二极管和电容，防止电源瞬态问题。

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ESD 保护方案示例
以下是针对不同应用场景的 ESD 保护示例：

1. 通用 GPIO
plaintext
复制代码
I/O Pin ---- R (10Ω) ---- TVS Diode ---- GND
R 限制瞬态电流。
TVS 二极管将过压钳制到安全范围。

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USB 接口保护
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复制代码
D+ ---- TVS ---- GND
D- ---- TVS ---- GND
选择低电容 TVS（如 <1pF）以减少信号失真。
可加共模扼流圈提高 EMI 抑制能力。

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电源输入保护
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复制代码
VDD ---- TVS ---- GND
   |
   C1 (100nF)
   |
   C2 (10µF)
TVS 提供电压钳位。
C1 和 C2 提供不同频率范围的滤波。

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验证和测试
在设计完成后，应通过以下测试验证 ESD 保护效果：

IEC 61000-4-2 测试：

测试 ESD 抗扰度，分别进行接触放电（Contact Discharge）和空气放电（Air Discharge）。
STM32 一般要求 ≥ 4kV 接触放电抗扰度。

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工作稳定性测试：

测试正常工作模式下的接口通信和电路稳定性。

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PCB Layout 仿真：

使用工具（如 Ansys 或 Altium Designer）对关键电路进行信号完整性和电磁兼容性仿真。

只看该作者 · 2024-12-28 23:49

总结
通过结合 STM32 内部的 ESD 保护功能和外部电路设计，可以构建一个具备高可靠性和抗扰度的系统。设计中应特别关注：

合理选择保护器件（TVS、阻抗匹配电阻等）。
优化 PCB Layout，保证接地系统良好。
使用标准化测试验证设计有效性。
如果需要更具体的 ESD 保护电路设计或器件推荐，可以进一步讨论实际应用需求。

只看该作者 · 2024-12-29 07:44

哇，ESD 静电放电竟然这么危险，还能直接把芯片烧坏，真是个隐形杀手！

只看该作者 · 2024-12-29 07:44

原来人体放电是 ESD 的一个来源，看来以后摸电路板要更小心点了！

只看该作者 · 2024-12-29 07:45

STM32N6 的 ESD 防护指南看着挺实用，设计电子产品真得仔细防护！

只看该作者 · 2024-12-29 07:45

短时间高电压真是太可怕了，怪不得 MCU 和 MPU 都需要特别保护。

只看该作者 · 2024-12-29 07:45

HBM 和 MM 这些放电模式，看着挺专业的，能不能说得再通俗一点？

只看该作者 · 2024-12-29 07:46

有没有推荐的 ESD 保护元件啊？像 TVS 二极管这样的好用吗？

只看该作者 · 2024-12-29 07:46

我设计电路时也踩过 ESD 的坑，芯片烧了好几个，心疼！

只看该作者 · 2024-12-29 07:46

AN5612 应用笔记真是及时雨，看来 ST 官方文档还是很靠谱的！

只看该作者 · 2024-12-29 07:46

静电感应竟然也是 ESD 的来源，这个平时还真容易被忽略。