人体模型在EMC中的概述

人体模型（HBM）用于定义电子产品的EMC标准，包括在ESD事件期间的耐受电压。该模型是一个模拟模型，用于模拟当人体触摸电子设备时可能发生的潜在ESD。当ESD发生时，人体上积累的电荷中存储的潜在能量将被释放到电路中，任何保护措施都必须能够响应结果产生的过电压事件。

HBM并不准确地模拟每一个潜在的ESD源，但它确实有助于理解由人体触摸产生的ESD，并提供了一种标准化的资格认定方法。因为许多标准都使用HBM作为参考，根据该模型定义ESD耐受电压，因此理解如何根据这一模型的要求进行设计非常重要。

HBM中的等效电路

HBM旨在从现象学上描述人体静电放电（ESD）事件如何将电流放电到受保护的电路中。这是通过使用RC电路模型来完成的，而在电路模型中使用的特定组件值基于用于描述ESD事件期间放电的标准而变化。这些值用于模拟和测量，以检查系统或集成电路对ESD脉冲的响应，以及评估保护电路是否能承受指定级别的ESD。

下图显示了用于评估HBM中定义的某些行业标准内的电路保护规范的典型测试设置。测试设置主要由电容器（C）和电阻器（R）组成，这些在各种标准中有具体规定。电感器（L）代表从测试波形发生器到受保护的DUT的互连的电感。在信号引脚处监测到的结果响应，并且在暴露于ESD测试波形后可以测试设备，以评估保护电路的有效性。

下表列出了一组定义HBM参数和ESD测试要求的测试标准。HBM中的电阻器和电容器值通常高达1.5 kOhms和100-150 pF。这些参数使测试波形具有给定电压暴露下所需的上升时间和峰值电流。

较大的电阻值考虑了人体的电阻特性，并有效地减缓了脉冲放电到观察值。虽然测试波形可能展示出 1-10 纳秒的上升时间，但如果电阻和电容值不同，放电速率会有所变化。如果被测试设备（DUT）或保护电路是电容性的，这一点非常重要，因为其电容与测试装置并联，将不得不以不同的方式响应。

IEC 61000-4-2 标准根据电子系统或产品的耐受电压能力，将其免疫水平分为不同的类别。在人体模型（HBM）测试中确定的耐受电压进一步细分为分类。这可以用来标准化和分类设备，基于其对ESD的免疫水平。下面显示了这些分类。

元件的耐受要求

一些元件会在数据手册中直接列出它们对HBM测试波形的峰值电压/电流要求的符合程度。下面展示了德州仪器RS-232线驱动器（型号：SN65C3221E）数据手册中的一个例子。这一条目提供了一个经HBM测试的峰值耐受电压能力。我们还可以看到这个引言部分列出的标准符合情况（在本例中为IEC-61000-4-2）。

正如我们上面所见，将在静电放电（ESD）可能构成危险的环境中使用的组件应明确说明它们旨在遵守哪些标准，无论是针对标准化的HBM模型还是其他一些模型（见下文）。确保您为ESD保护选择合适的尺寸，至少要使用HBM测试波形中给出的标准值，并应用一定的降额。

可以预期哪些脉冲波形？

在ESD测试中或在实际ESD事件发生时，可以在研究文献中找到实际ESD脉冲波形的例子。1993年在ISTFA上发表的一篇论文提供了这些波形的绝佳示例。可以通过以下链接免费访问此论文：

• Kelly, M. A., G. E. Servais, 和 T. V. Pfaffenbach. "对人体静电放电的调查." 在国际测试与故障分析研讨会上，第167-167页。美国技术出版商有限公司，1993。

如果您查看上述出版物中的一些测试数据，您将看到ESD测试和耐受要求的标准如何与HBM中描述的预期电流、脉冲上升时间和放电速率相关。下面展示了一些测量波形的示例；这些波形说明了各种放电源与HBM下测试确定的结果之间的对应关系。

峰值电流的变化非常明显。然而，我们可以看到，ESD的发生是一个非常快速的过程。这里重要的是，保护机制必须在此时间窗口内响应，从而防止上升脉冲将能量传递给被保护的电路。在所有情况下，即使是与IEC-61000-4-2相对应的非常高峰值电压，我们也看到ESD脉冲在大约1纳秒内达到其峰值电流。任何用于防护ESD的保护机制都必须在大约1纳秒内响应，这要求快速二极管。

对HBM的替代方案

HBM是一个常用模型，用于模拟人体产生的静电放电（ESD）。然而，HBM并不是EMC中使用的唯一ESD测试模型，重要的是要注意，不是由人体产生的ESD可能无法通过HBM准确模拟。这些替代的模拟和测试模型包括：

• 带电设备模型（CDM）；模拟电子设备带电后与另一个物体接触时的放电情况。
• 机器模型（MM）；使用一个200 pF的电容器通过一个0欧姆的电阻放电特定电压，产生一个非常快速的放电，其限制由电容器的ESR值决定。

这些模型模拟的是ESD事件不一定由人体接触产生的情况。例如，这些测试设置中使用的等效RC电路的有效时间常数与HBM的时间常数在微秒级别，反映了测试电容器电压在放电过程中的缓慢衰减。这些其他模型用于标准化可能导致快速脉冲（1-10 ns）和更快衰减至零的其他来源的潜在ESD事件。

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