ZHCAA01B March   2012  – July 2021 MSP430F5131 , MSP430F5132 , MSP430F5151 , MSP430F5152 , MSP430F5171 , MSP430F5172 , MSP430F5212 , MSP430F5214 , MSP430F5217 , MSP430F5219 , MSP430F5222 , MSP430F5224 , MSP430F5229 , MSP430F5232 , MSP430F5234 , MSP430F5237 , MSP430F5239 , MSP430F5242 , MSP430F5244 , MSP430F5247 , MSP430F5249 , MSP430F5252 , MSP430F5253 , MSP430F5254 , MSP430F5255 , MSP430F5256 , MSP430F5257 , MSP430F5258 , MSP430F5259 , MSP430F5304 , MSP430F5308 , MSP430F5309 , MSP430F5310 , MSP430F5324 , MSP430F5325 , MSP430F5326 , MSP430F5327 , MSP430F5328 , MSP430F5328-EP , MSP430F5329 , MSP430F5333 , MSP430F5335 , MSP430F5336 , MSP430F5338 , MSP430F5340 , MSP430F5341 , MSP430F5342 , MSP430F5358 , MSP430F5359 , MSP430F5418 , MSP430F5418A , MSP430F5419 , MSP430F5419A , MSP430F5435 , MSP430F5435A , MSP430F5436 , MSP430F5436A , MSP430F5437 , MSP430F5437A , MSP430F5438 , MSP430F5438A , MSP430F5438A-EP , MSP430F5500 , MSP430F5501 , MSP430F5502 , MSP430F5503 , MSP430F5504 , MSP430F5505 , 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  1.   商标
  2. 1ESD 简介
    1. 1.1 元件级 ESD 等级
      1. 1.1.1 人体放电模型 (HBM)
      2. 1.1.2 充电器件模型 (CDM)
    2. 1.2 系统级 ESD 等级
    3. 1.3 ESD 波形
  3. 2系统级 ESD 设计通用指南
    1. 2.1 外壳
      1. 2.1.1 外壳开口
      2. 2.1.2 外壳电缆
    2. 2.2 PCB 设计和布局
      1. 2.2.1 示例布局 - 电流环路
    3. 2.3 板载 ESD 保护器件
      1. 2.3.1 简单的无源器件
      2. 2.3.2 ESD 抑制器件
      3. 2.3.3 使用串联电阻提供 ESD 保护
    4. 2.4 电路设计和软件注意事项
      1. 2.4.1 电路设计
      2. 2.4.2 软件注意事项
    5. 2.5 ESD 测试
  4. 3系统高效 ESD 设计 (SEED)
    1. 3.1 系统级 ESD 保护方法
      1. 3.1.1 板载保护 - 初级钳位
      2. 3.1.2 片上保护 - 次级钳位
      3. 3.1.3 两级保护 - 基本 SEED 概念
    2. 3.2 系统级 ESD 设计的 SPICE 仿真方法
  5. 4基于 SEED 的 IEC 保护设计和验证 - 实际案例 1
    1. 4.1 对 IEC 应力波形建模
    2. 4.2 对 TVS 器件建模
    3. 4.3 对 MSP430 I/O 引脚建模
    4. 4.4 隔离阻抗计算
    5. 4.5 SPICE 仿真 – SEED 方法
    6. 4.6 板级验证
  6. 5系统级 ESD 保护 - 实际案例 2
  7. 6总结
  8. 7使用 TLP 参数建模
    1. 7.1 使用 TLP 参数对 TVS 器件建模 [8]
    2. 7.2 使用 TLP 参数对要保护的 IC 接口引脚建模 [8]
  9. 8参考文献
  10.   修订历史记录

1.2 系统级 ESD 等级

通常，在 ESD 保护区 (EPA) 中，ESD 电压电平较低，这是由于在全球范围内，人们在组装、包装和其他生产过程中都采取了 ANSI/ESD S20.20 [13] 和 IEC 61340 [14] 标准所规定的 ESD 控制措施。但是当将最终产品发运并送达客户手中时，无法保证采取了同样的控制措施。部署到现场的消费类产品在处理时通常不受 EPA 制约，因此可能会遭受更高电压的 ESD 冲击。

IEC 61000-4-2 是业界公认的最终产品 ESD 等级标准。IEC 61000-4-2 测试的主要目的是确定系统在运行过程中对外部 ESD 事件的抗扰度。它与设备、系统、子系统和外设有关，但未对这些相关因素作进一步定义。其范围和描述清楚地表明了其目的：测试可能会受到直接由操作人员导致的或人员对邻近物体导致的 ESD 影响的电气和电子设备 [1]。它还定义了与不同环境和安装条件有关的测试级别范围，并制定了测试程序。

系统级 IEC 电流放电曲线比 HBM 测试更严格，该曲线由手持式设备（有时称为 ESD 枪）生成。该方法用于人员与设备之间的直接和间接 ESD 事件。直接放电适用于设备正常使用期间人员可接近的金属位置，间接放电通常通过耦合平面接触放电进行。接触放电模式是 IEC 首选的测试方法，只有绝缘的盖子和带有塑料外壳的连接器引脚才会受空气放电干扰。

与汽车 ESD 标准 ISO 10605 [6] 相比，ESD 发生器连接到接地参考平面 (GRP)。测试的间接放电部分使用另外两个平面：水平耦合平面 (HCP) 和垂直耦合平面 (VCP)，这两个平面通过两个 470kΩ 电阻与接地平面相连。对这些平面的放电模拟了从实际放电到附近物体的辐射场所引起的应力。此测试设置如图 1-3 所示。

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ESD 枪的接地连接以红色突出显示。
图 1-3 IEC 61000-4-2 标准规定的供电条件下的 ESD 测试台 [1]

表 1-2 列出了 IEC 61000-4-2 测试规格。

表 1-2 IEC 61000-4-2 测试规格 [1]
测试参数 IEC 61000-4-2
放电类型 接触放电 空气放电
输出电压 2kV 至 8kV 2kV 至 15kV
间隔时间 最小 1 秒
各应力电压电平的极性 正和负
网络电容 150pF
网络电阻 330Ω
放电脉冲数 最少 10 个
测试条件 供电

在按照此系统级标准或类似标准测试系统时，最终产品需要在 ESD 事件出现或发生之后保持正常工作。IEC 规定的系统级故障标准可分为以下几类：

  • 性能正常，处于制造商所指定的限制范围内。
  • 暂时性的功能丧失或性能下降，干扰停止后此现象消失。被测设备无需操作人员干预即可恢复正常性能。
  • 暂时性的功能丧失或性能下降。恢复需要操作员干预。
  • 由于硬件或软件损坏或数据丢失而导致的不可恢复的暂时性功能丧失或性能下降。

很明显，上述大多数类别与器件物理损坏无关，而是与系统故障有关。任何特定系统或应用的验收标准都是针对该情况的。因此，电路板设计人员和 OEM 应通过采取必要的预防措施，以防止或最大程度减少 ESD 耦合到系统或器件（直接通过器件引脚或通过连接的电缆）来提供系统级 ESD 稳健性，从而避免在信号布线上产生错误或损坏器件自身。

本文档后面部分重点介绍了一些通用指南，这些指南可帮助创建具有稳健 ESD 保护功能的系统解决方案。因为电路板设计人员和 OEM 在设计应用时未采取必要的预防措施，他们通常会发现未通过 IEC 测试，应该尽量在设计前考虑ESD测试的相关事项。因此，建议电路板设计人员和 OEM 在开始设计之前，查看此文档以及有关 ESD 安全的大量可用公开资料。