[分享] ESD静电防护原理及应用方案设计 看全部

静电放电(ESD)是指两个具有不同静电电位的物体,由于直接接触或静电感应而引起的两物体间静电电荷的转移。当静电能量达到一定程度后,击穿其间介质而进行放电的现象。因此,ESD保护无处不在,而ESD过压保护则成为各种电子设备设计的基本要求。

要对电子系统进行ESD保护设计,最有效的方法还是在连接器和端口处放置外部保护元件。在压敏电阻、聚合物和TVS这几种常见保护元件中,前两者分别在经济性和低电容方面占有优势,但TVS则拥有极佳的导电率,并且在多重应用作用下仍能维持强劲性能。TVS雪崩管以其卓越的钳位功能、极低的击穿电压,极小的封装,电气特性在生命周期内比较稳定而得到越来越广泛的应用。它最显著的特点有两点:一是反应迅速,使瞬时脉冲在没有对线路或器件造成损伤之前就被有效地遏制,二是截止电压比较低,更适用于电池供电的低电压回路环境。另外对TVS二极管设计的改进使其具有更低的漏电流和结电容,因而在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现。   

软件也能够为ESD设计作出贡献。系统连接的感测器比较容易受到ESD的冲击,造成接口电路的锁住情况,而能够感测锁住情况的软件则可以用来重置接口电路且无须操作人员的接入。   

不过,总是有部分电路点较为敏感,同时也很难与外部隔离。因此,最有效的方法是使用保护元件来将电流导离较敏感的元件。也就是在电子系统的连接器或端口处放置ESD保护元件,使得电流流经保护元件,且不流经敏感元件,以维持敏感元件的低电压,使其免受ESD应力影响,进入有效控制ESD事件的发生。当然,合格的ESD元件必须具有低泄漏和低电容,且在多重应力作用下功能不下降,从而不降低电路的功能。

手机中的ESD保护部分   

这里以手机为例。手机中需要进行ESD防护的部位有:1)SIM卡接口电路;2)键盘电路;3)耳机和话筒电路;4)数据及USB端口;5)电源口;6)彩色LCD驱动端口及LCD背光电路;7)金属外壳的前壳和后壳;8)电池。手机ESD标准   静电的工业标准和破坏的机理静电的产生是基于摩擦生电的机理,当两种不同的物体相互接触和分离时,由于两种物体表面电子活性的不同,会使一种物体带正电,而另一种物体带负电,典型的例子就是的毛皮和橡胶的摩擦生电。在静电的研究中,有三种静电的模型:

(1)第一种就是所谓的人体模型(HBM),(2)带电体模型(CMD),(3)机器模型(MM)。其中人体模型为脉冲衰减电路,后两者为周期震荡衰减电路。三种模型的典型峰值电流分别为:

1.3A(2000VHBM)、15A(1000VCDM@4pF)以及3.8A(200VMM)。这三种模型中最常见,也是最被重视的模型是所谓的人体模型,这种模型模拟的是当人体带电(正电或者负电)时,接触电子设备,人身上的电荷向设备转移的情况。通常充电的电容是100pF,而放电电阻一般取1.5K欧姆。         

其中接触放电测试方法是静电放电测试中的首选,只有在接触放电有问题时,才考虑空气放电。之所以规定不同的放电等级,是考虑在不同的静电放电情况,比如在半导体和IC的保护中,2KV的放电标准是经常被引用的。在实际的IC设计中,要考虑静电放电的防护问题,其中一种方法是IC内自己做了防护,一般是1KV或者2KV的静电防护标准,但是这样会占用宝贵的IC空间,所以就有了第二种静电防护方法,即芯片外防护,芯片外防护的另一个重要的原因就是实际的静电等级远大于2KV,在一些汽车标准中,可能达到25KV的静电放电等级。静电放电对设备的破坏形式有两种,一种是所谓的灾难性破坏(CatastrophicFailure),这种破坏对设备的表现为不能正常工作,或者某些节点的击穿等,一般这种破坏的设备或器件能很容易检测出来。还有一种破坏叫做潜在的破坏(LatentDefect),这种破坏一般表现为静电能量较小,不足以使设备立即失效,仅仅表现为工作不稳定等,或者干脆就没有外在的特异表现。但是这种破坏却最危险,轻则缩短设备的使用寿命,重则对以后的系统甚至人身产生危害,同时一般因为问题表现不明显,给检测带来了困难,更糟糕的是维修人员一般把这种问题归咎为材料不良或者设计缺陷等其它原因,对问题的解决抱有侥幸心理,直到灾难的发生。

ESD保护在设计中应该兼顾性能和成本。

要注意以下几个原则:1) 保护电路响应速度要快—IEC61000-4-2波形的上升沿时间为0.7-1ns。2) 能应付大的瞬态电流。3) 考虑瞬态电压在正负极性两个方向发生。4) 对信号增加的电容负载效应和电阻损耗效应控制在允许范围内。5) 考虑体积因素以适应轻巧的便携式设备。6) 产品成本因素。

当一个浪涌电流的冲击时,具有良好钳位功能的TVS管在1ns时间内就可以将瞬态电压抑制到10.9V以下,从而使芯片的I/O口免受冲击而损伤。

TVS工作原理   

处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。TVS二极管在线路板上与被保护线路并联,当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS二极管便发生雪崩,提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果是瞬时电流通过二极管被引开,避开被保护器件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管自动回复高阻状态,整个回路进入正常电压。

ESD的保护方案的选择  

按照目标应用的信号传输速度选择TVS二极管是设计高效ESD保护功能的关键之一。基本上,信号的数据传输速率越高,ESD保护二极管的电容负载效应就要求越低,只有这样能才能使保护组件在电流信号上产生的损耗降至最低。下面是几种方案:第一是标准ESD保护,满足大功率(高于100瓦)、最低钳位电压要求,适用于键区、按钮、电池接头、充电器接口、旁键等的保护,TVS电容在1000pF至100 pF之间。第二是高速ESD保护,要求数据传输率更快、低电容,应用于USB1.1、USB2.0FS、FM天线、SIM卡和音频线路等,TVS电容在40pF至5 pF。第三个是超高速ESD保护,如USB2.0HS、HDMI、RF天线等,TVS电容在5pF以下,电容值与钳位相反,不可用传统TVS技术。同时,ESD保护二极管被焊接在I/O连接器附近,用于防止61000-4-2标准规定的8KV接触放电和15KV空气放电时产生的任何损坏。这意味着当通过一个330Ω电阻给一个150pF电容放电时,ESD保护二极管能够抵抗15kV的电压冲击。

PCB设计时的考虑   

不管选择怎样的TVS器件,它们在电路板上的布局非常重要。TVS布局前的导线长度应该减到最小,因为快速(0.7-1ns)ESD放电电流在电感性布线上感应出很高的电压尖峰,影响ESD保护的性能;走线时,尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰;输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线,以免发生反馈藕合。  

总之,静电的防护是一个系统工程,从静电的产生、静电的积累、静电的释放、静电释放的路径的选择和释放静电的量的控制全方位考虑,但是因为静电破坏的复杂性,至今还没有一个很好的方法去完全解决静电问题。如果因为静电的防护去请教100个静电专家,得到的答案可能是100个不同的答案。但是这也不代表我们对静电问题,在静电保护的过程中,我们只要遵循一个原则:静电的积累必然有静电的释放,所以我们只要给静电选好放电的路径和放电的去处即放电地,就能很好的进行静电的释放。


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