ESD保護(hù)電路概況及其電路設(shè)計 - 全文

　　ESD 靜電放電給你的電子產(chǎn)品帶來致命的危害不僅降低了產(chǎn)品的可靠性，增加了維修成本而且不符合歐洲共同體規(guī)定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EN61000-4-2 就會影響產(chǎn)品在歐洲的銷售，所以電子設(shè)備制造商通常會在電路設(shè)計的初期就考慮ESD 保護(hù)電路，本文將討論ESD保護(hù)電路的幾種方法。

　　1 ESD 的產(chǎn)生及危害

　　當(dāng)兩個物體碰撞或分離時就會產(chǎn)生靜電放電ESD 即靜態(tài)電荷從一個物體移動到另一個物體兩個具有不同電勢的物體之間產(chǎn)生靜態(tài)電荷的移動，類似于一次很小的閃電過程放電量的大小和放電持續(xù)時間取決于物體的類型和周圍的環(huán)境等多種因素，當(dāng)ESD 具有足夠高的能量時將造成半導(dǎo)體器件的損壞靜電放電ESD 可能隨時發(fā)生例如插拔電纜或人體接觸器件的I/O 端口或者是一個帶電的物體接觸半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件觸地以及靜電場和電磁干擾產(chǎn)生足夠高的電壓引起靜電放電ESD。

　　ESD 基本上可以分為三種類型，一是各種機(jī)器引起的ESD， 二是家具移動或設(shè)備移動引起的ESD ，三是人體接觸或設(shè)備移動引起的ESD ，所有這三種ESD 對于半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)和電子產(chǎn)品的生產(chǎn)都非常重要電子產(chǎn)品的使用過程最容易受到第三種ESD 的損壞，便攜式電子產(chǎn)品尤其容易受到人體接觸ESD 的損壞ESD 一般情況下會損壞與之相連的接口器件，另一種情況是遭受ESD沖擊后的器件可能不會立即損壞而是性能下降導(dǎo)致產(chǎn)品過早出現(xiàn)故障。

　　當(dāng)集成電路IC 經(jīng)受ESD 時放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流例如將帶靜電的電纜，插到電路接口上時放電回路的電阻幾乎為零造成可高達(dá)幾十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應(yīng)的IC管腳瞬間大電流會嚴(yán)重?fù)p傷IC 局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄綞SD， 對IC 的損傷一般還包括內(nèi)部金屬連接被燒斷鈍化層被破壞晶體管單元被燒壞。

　　ESD 還會引起IC的死鎖LATCHUP 這種效應(yīng)和CMOS 器件內(nèi)部的類似可控硅的結(jié)構(gòu)單元被激活有關(guān)高電壓可激活這些結(jié)構(gòu)形成大電流通道一般是從VCC 到地串行接口器件的鎖死電流可高達(dá)1 安培鎖死電流會一直保持直到器件被斷電不過到那時IC 通常早已因過熱而燒毀了ESD沖擊后可能存在兩個不易被發(fā)現(xiàn)的問題一般用戶和IEC測試機(jī)構(gòu)使用傳統(tǒng)的環(huán)路反饋方法和插入方法進(jìn)行測試通常檢測不出這兩個問題。

　　1 RS-232 接口電路中接收器對發(fā)送器產(chǎn)生交叉串?dāng)_

　　同類產(chǎn)品RS-232 接口電路中的ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)可能對某種波形的ESD或某個ESD 沖擊電壓失效經(jīng)過ESD沖擊后造成接收器輸入端和發(fā)送器輸出端之間形成通路從而導(dǎo)致接收器對發(fā)送器產(chǎn)生交調(diào)圖一如果RS-232 接口電路中有關(guān)斷電路那么關(guān)斷期間經(jīng)過ESD 沖擊后更容易產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)生交調(diào)后將導(dǎo)致通信失敗而且即使關(guān)斷工作狀態(tài)下發(fā)送器仍有輸出導(dǎo)致關(guān)斷失效使對方RS-232處在接收狀態(tài)。

　　2 RS-232 接口電路對電源產(chǎn)生反向驅(qū)動

　　某些RS-232 接口電路中的ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過ESD 沖擊后可能在輸入端與供電電源Vcc之間形成電流通路圖二對其供電電源產(chǎn)生反向驅(qū)動如果供電電源沒有吸入電流的能力通常來講電源輸出回路里有一個正向二極管這將導(dǎo)致電源電壓Vcc 的增加從而損

　　壞RS-232 接口電路和系統(tǒng)內(nèi)的其它電路因?yàn)镽S-232 接口電路輸入端的電壓在5V 到25V之間使Vcc 有可能大于9V 超出電源電壓的最大范圍而燒壞電路。

?

　　2 ESD 保護(hù)電路

　　ESD 的產(chǎn)生是當(dāng)兩個物體碰撞或分離時即靜態(tài)電荷從一個物體移動到另一個物體所以ESD最有效的保護(hù)是介質(zhì)隔離是用絕緣介質(zhì)把內(nèi)部電路和外界隔離開1mm 厚的普通塑料如PVC 聚酯或ABS 能夠保護(hù)8KV 的ESD 但是實(shí)際的介質(zhì)不可能沒有間隙和接縫所以材料的蠕變和間隙距離非常重要LCD顯示屏觸摸屏等都有很厚的邊角12mm 隔離內(nèi)部電路。

　　ESD 保護(hù)的第二個有效方法是屏蔽防止大的ESD 電流沖擊內(nèi)部電路ESD 沖擊金屬屏蔽外殼時最初幾毫秒會比保護(hù)地電壓高出許多屏蔽外殼電壓會隨著ESD電荷的轉(zhuǎn)移而下降所以最初的幾毫秒內(nèi)會對內(nèi)部電路產(chǎn)生二次ESD沖擊所以僅僅使用外部屏蔽是不夠的而要把內(nèi)部電路與屏蔽外殼共地或者把內(nèi)部電路進(jìn)行介質(zhì)隔離電氣隔離也是一種抑制ESD 沖擊的有效方法PCB 板上安裝光耦和變壓器雖然不能完全消除ESD的沖擊但是結(jié)合介質(zhì)隔離和屏蔽可以很好的抑制EDS沖擊光耦和變壓器尤其適合電源部分信號通路最好的隔離是光纖無線和紅外線方式信號通路上的另一種保護(hù)方法是在每條信號線上外加阻容元件串聯(lián)電阻能夠限制尖峰電流并聯(lián)到地的電容則能限制瞬間的尖峰電壓這樣做的成本低但是防護(hù)能力有限ESD的破壞力在一定程度上得到抑制但依然存在因?yàn)樽枞菰⒉荒芙档图夥咫妷旱姆逯祪H僅是減少了電壓上升的斜率而且阻容元件還會引起信號失真以致限制了通訊電纜的長度和通訊速率外接的電阻/電容也增加了電路板面積。

　　另一種廣泛使用的技術(shù)是外加電壓瞬變抑制器或TransZorb?二極管這種防護(hù)非常有效，但仍有一些缺點(diǎn)外加器件仍會增加電路板面積防護(hù)器件的電容效應(yīng)會增加信號線的等效電容成本較高TransZorb?二極管價格較貴大約25 美分/每個典型的3 發(fā)/5

　　收的COM 端口需要8 個TransZorb?二極管費(fèi)用高達(dá)$2一種有效的方法是采用內(nèi)部集成ESD 防護(hù)功能的串行接口器件這種器件比普通無防護(hù)功能的器件價格要貴但增加的費(fèi)用比起外加防護(hù)二極管的費(fèi)用要低內(nèi)部集成的ESD，防護(hù)電路不會增加任何輸入輸出管腳的等效電容也節(jié)省了電路板面積MAXIM公司近幾年發(fā)展了享有專利的集成ESD防護(hù)技術(shù)并可提供全系列的ESD防護(hù)串行接口器件包括與標(biāo)準(zhǔn)器件完全兼容的產(chǎn)品MAXIM公司還將同樣的技術(shù)應(yīng)用到模擬開關(guān)和開關(guān)去抖產(chǎn)品中所有這些器件的ESD 防護(hù)能力都符合15kV IEC1000-4-2 氣隙放電8kVIEC1000-4-2 接觸放電15kV人體模型HBM 測試標(biāo)準(zhǔn)下表是MAXIM公司具有抗靜電功能的器件。

　　3 MAXIM 公司的ESD 保護(hù)技術(shù)

　　歐洲共同體所規(guī)定的ESD 保護(hù)有其嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)

　　對于正常工作方式下ESD 結(jié)構(gòu)必須完全透明

　　ESD 過程中不能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象

　　必須通過所有相關(guān)ESD 測試標(biāo)準(zhǔn)

　　15kV ESD 人體模式測試標(biāo)準(zhǔn)

　　8kV ESD IEC 1000-4-2 接觸放電模式測試標(biāo)準(zhǔn)

　　15kV ESD IEC 1000-4-2 空氣間隙放電模式測試標(biāo)準(zhǔn)

　　4kV ESD IEC 1000-4-4 電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測試標(biāo)準(zhǔn)

　　其中IEC 1000-4-2 與15kV 人體模式測試標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差別在于峰值電流相同電壓下IEC 1000-4-2 沖擊的吸收電流要比人體模式高出5 倍以上4kV ESD IEC 1000-4-4電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測試標(biāo)準(zhǔn)是模擬產(chǎn)生開關(guān)和繼電器的電弧放電結(jié)果MAXIM 器件可提供4kV 的保護(hù)兩倍于IEC 1000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)的2kV 指標(biāo)。

?

　　在現(xiàn)實(shí)世界中，ESD所產(chǎn)生的波形可能是各種各樣的。不管是何種波形，MAXIM的工程師設(shè)計出了適應(yīng)性非常強(qiáng)的結(jié)構(gòu)對器件提供ESD 保護(hù)。因?yàn)槊總€器件的ESD門限不同，每個器件在正常工作狀態(tài)關(guān)斷狀態(tài)和斷電狀態(tài)的ESD門限不同，所以MAXIM 公司嚴(yán)格按照如下步驟進(jìn)行測試：

　　1 從200V 開始每次增加500V 對每個器件都用不同極性的電壓沖擊10 次

　　2 每次沖擊后檢查電源電流以確保器件沒有閉鎖檢查發(fā)送器和接收器是否工作正常

　　3 重復(fù)上述步驟直到器件損壞或達(dá)到ESD 測試者的限制要求

　　4 用人體方式IEC 1000-4-2 接觸放電IEC 1000-4-2 空氣隙放電以及IEC 1000-4-4快速/瞬變/脈沖重復(fù)上述步驟

　　5 分別在正常工作狀態(tài)關(guān)斷狀態(tài)和斷電狀態(tài)下重復(fù)測試保證達(dá)到ESD 保護(hù)的測試標(biāo)準(zhǔn)且不發(fā)生交調(diào)與反向驅(qū)動問題。