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[分享] ESD危害分析及保护电路设计方案

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发表于 2021-6-22 13:47:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
ESD保护电路的设计

静电放电(ESD)会给电子产品带来致命的危害,它不仅降低了产品的可靠性,增加了维修成本,而且不符合欧洲共同体规定的工业标准EN61000-4-2,产品就不能够在欧洲销售。所以电子设备制造商通常会在电路设计的初期就考虑ESD保护。本文将讨论ESD保护电路的几种方法。

ESD的危害

ESD基本上可以分为三种类型:一是各种机器引起的ESD,二是家俱移动或设备移动引起的ESD,三是人体接触或设备移动引起的ESD。这三种种ESD对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要。电子产品在使用过程最容易受到第三种ESD的损坏,便携式电子产品尤其容易受到人体接触产生的ESD的损坏。在一般情况下ESD会损坏与之相连的接口器件,另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏,而是性能下降导致产品过早出现故障。

当集成电路(IC)经受ESD时,放电回路的电阻通常都很小,无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时,放电回路的电阻几乎为零,造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流,流入相应的IC管脚。瞬间大电流会严重损伤 IC,局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。ESD对IC的损伤还包括内部金属连接被烧断,钝化层受到破坏,晶体管单元被烧坏。ESD还会引起IC的死锁(LATCHUP)。这种效应和CMOS器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构,形成大电流信道,一般是从VCC到地。串行接口器件的死锁电流可高达1A。死锁电流会一直保持,直到器件被断电。不过到那时,IC通常早已因过热而烧毁了。ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题,一般用户和IEC测试机构使用传统的“环路反馈方法”和“插入方法”进行测试,通常检测不出这两个问题。

一个问题是RS-232接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰。同类产品RS-232接口电路中的ESD保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD冲击电压失效,经过ESD冲击后在接收器输入端和发送器输出端之间形成通路,从而导致接收器对发送器产生交调。如果RS-232接口电路中有关断电路,那么关断期间经过ESD冲击后更容易产生交调。产生交调后将导致通信失败,而且即使关断工作状态下发送器仍有输出,导致关断失效,使对方RS-232处在接收状态。

另一个问题是RS-232接口电路对电源产生反向驱动。某些RS-232接口电路中的ESD保护结构经过ESD冲击后可能在输入端与供电电源VCC之间形成电流通路,对供电电源产生反向驱动。如果供电电源没有吸入电流的能力(通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管),这将导致电源电压VCC上升,从而损坏RS-232接口电路和系统内的其它电路。因为RS-232接口电路输入端的电压在5V到25V之间,使VCC有可能高于9V,超出电源电压的最大范围而烧坏电路。ESD保护电路最有效的保护措施是介质隔离:用绝缘介质把内部电路和外界隔离开。1mm厚的普通塑料如PVC,聚酯或ABS能够保护8KV的ESD。但是实际的介质不可能没有间隙和接缝,所以材料的蠕变和间隙距离非常重要。LCD显示屏,触摸屏等都有很厚的边角(12mm)隔离内部电路。

ESD保护的第二个方法是屏蔽,防止大的ESD电流冲击内部电路。ESD冲击金属屏蔽外壳时,最初几毫秒会比保护地电压高出许多,屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降,所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击,所以仅仅使用外部屏蔽还不够,内部电路与屏蔽外壳必须共地,或者把内部电路进行介质隔离。电气隔离也是抑制ESD冲击的一种有效方法,PCB板上安装光耦合器或者变压器,虽然不能完全消除ESD的冲击,但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击,光耦合器和变压器尤其适合电源部分。信号通路最好的隔离是光纤,无线和红外线方式。

在信号通路上使用的另一种保护方法是在每条信号线上外加阻容组件。串联电阻能够限制尖峰电流,并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压。这样做的成本低,但是防护能力有限。ESD的破坏力在一定程度上得到抑制,但依然存在。因为阻容组件并不能降低尖峰电压的峰值,仅仅是减少了电压上升的斜率。而且阻容组件还会引起信号失真,以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率。外接的电阻/电容也增加了电路板面积。另一种广泛使用的方法是外加电压瞬变抑制器或TransZorb二极管。这种防护非常有效。但仍有一些缺点:外加器件仍会增加电路板面积;防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容;成本较高。采用内部集成ESD防护功能的串行接口器件是一种有效的方法。这种器件比普通无防护功能的器件价格要高,但增加的费用比起外加防护二极管的费用要低。内部集成的ESD防护电路不会增加任何输入输出管脚的等效电容,也节省了电路板面积。
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