本帖最后由 onemoren 于 2025-9-12 17:29 编辑
#技术资源# #有奖活动# #申请原创# @21小跑堂 APM32可靠性设计：如何选择合适的ESD管
用APM32芯片做真正的电子产品，肯定是要做IO可靠性设计的，最直接的就是静电测试：IEC 61000-4-2。IEC 61000-4-2 是国际电工委员会（IEC）制定的电磁兼容性（EMC）标准，全称为 《电磁兼容性（EMC）第4-2部分：测试和测量技术——静电放电抗扰度试验》。测试方式分为接触放电和空气放电： - 接触放电（首选）：电极直接接触设备金属部件，测试电压最高8kV。
- 空气放电：用于非导电表面（如塑料外壳），测试电压最高15kV。
- 测试流程：每个测试点需在正负极性各放电10次，记录设备功能状态。
- 测试等级：分为4级（1级最低，4级最高），不同等级对应不同放电电压（如接触放电2kV~8kV，空气放电2kV~15kV）。具体等级由产品标准引用（如医疗设备常需4级）。
下面以实现APM32芯片引脚达到接触放电过±8KV，空气放电±15KV（最高电压）为例，进行ESD管的选取和测试验证。首先来了解一下ESD管的4个重要参数的概念与作用：VRWM/VBR/VC/CJ。
1. VRWM（反向工作电压/反向承受电压/反向关断电压） VRWM 是 TVS 管在正常工作状态下可承受的最大反向电压。在此电压下，TVS 管处于 高阻关断状态，仅产生极小的漏电流（通常为微安级），不会影响被保护电路的正常运行 。 1）必须高于被保护电路的最高工作电压（通常取工作电压的 1.1~1.2 倍），以避免误触发或功耗过大 。 2）若工作电压超过 VRWM，TVS 管可能提前导通，导致漏电流显著增加，影响电路功能 。 3）与VBR存在固定比例关系： 对于 VBR 误差 ±5% 的 TVS，VRWM ≈ 0.85 × VBR； 对于 VBR 误差 ±10% 的 TVS，VRWM ≈ 0.81 × VBR。
2. VBR（击穿电压） VBR 是 TVS 管进入 雪崩击穿状态 的阈值电压。当反向电压达到 VBR 时，TVS 管从高阻态转为低阻态，电流急剧增加以泄放瞬态过压 。 1） 测试标准：在 1mA 反向电流（IR）条件下测得，标志着 TVS 管导通的临界点 。 2） 实际击穿电压会因工艺离散性存在误差（±5% 或 ±10%）。 3）必须满足 VBR_min > 电路最大工作电压，以确保正常工作时 TVS 不导通 。 4）VRWM 与 VBR 的关系 VRWM < VBR，且 VRWM 通常为 VBR 的 80%~90% 。 例如：若 VBR = 30V（±5%），则 VRWM ≈ 0.85 × 30V = 25.5V 。 VRWM 是“安全上限” ：电路工作电压需始终低于 VRWM，保证 TVS 不动作。 VBR 是“触发点” ：过压达到 VBR 时 TVS 导通，进入保护状态 。
3. VC（钳位电压） - 定义：TVS管在承受峰值脉冲电流（IPP）时，两端呈现的最高限制电压。即TVS将瞬态过电压强制限制的安全电压值。
- 关键特性：
1） 必须小于被保护电路的绝对最大耐受电压，否则可能导致后续电路损坏。 2） 与VBR的关系：VC ≈ 1.2~1.4倍 VBR（称为钳位因子）。 3） 反映TVS的浪涌抑制能力，VC越低保护效果越好。
4. CJ（结电容） - 定义：TVS管内部的寄生电容，在特定条件下（如0V偏置或1MHz测试频率）测量。
影响： - 高频信号传输：CJ过大会导致信号失真，高速电路（如USB3.0、以太网）需选用低CJ TVS（通常<1pF）。
- 响应速度：CJ影响TVS对瞬态电压的响应时间。
- 选型注意：高频场景必须优先考虑低CJ值。
了解以上概念，我们就可以看ESD管的数据手册了，如下图所示，为一款TVS管的参数： 由参数上看，上面这个管子更适合5V的MCU。
下面我们做正式的选管考虑。 选管考虑1：我们的APM32芯片系统通常为3.3V供电，VRWM和VBR应该大于3.3V，但又不要比3.3V高太多。有没有VRWM在3.7V左右，VBR在4-5V之间的TVS管呢？大家可以考虑用AI来帮你推荐。以下就是我用AI推荐筛查出来的一款ESD管： 此管型号为ESD321。从表格上看，VRWM/VBR都比较合适。
选管考虑2：所选ESD管，是否能满足61000-4-2的保护等级？我们要过接触放电±8KV，空气放电±15KV，查ESD321的手册，也是满足要求的： 选管考虑3：钳位电压VC是否与APM32引脚耐压匹配？一般来说，APM32的IO耐压在10V以内，所以ESD管的钳位电压VC应该尽量选低于10V，ESD321也是满足要求的： 而且我们注意到，上面表格最后一行CLINE（即CJ），表示此ESD管的等效电容，也是非常非常小，如果用在我们APM32上的快速信号线上(如USB D+/D-脚)，也是没有影响的。
综上，ESD321很适合用在APM32 IO可靠性设计应用中。
下面以APM32E103的USB D-脚（PA11）加ESD321保护管来做ESD抗压测试实验。 在极海MINI板上的USB D-脚上焊接到地的ESD321保护管： USB的ESD防护电路模型如下： （图中的10欧姆电阻为USB的匹配电阻，MINI板上本身存在。） 实验过程：在MINI板上(芯片APM32E103ZET6)，针对USB D-即PA11脚，使用ESD321 + 10欧姆电阻进行ESD接触/空气放电测试，每次测试完后需加测USB通信功能。结果记录如下： 实验结论：从以上记录表可知，ESD321+10欧姆电阻，可以有效保护E103XE的USB引脚，实测接触放电可过±8KV，空气放电可以过±15KV。
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