ESD保護(hù)電路概況及其電路設(shè)計(jì)

ESD保護(hù)電路概況及其電路設(shè)計(jì)ESD靜電放電給你的電子產(chǎn)品帶來(lái)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(huì)影響產(chǎn)品在歐洲的銷(xiāo)售，所以電子設(shè)備制造商通常會(huì)在電路設(shè)計(jì)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。1ESD的產(chǎn)生及危害當(dāng)兩個(gè)物體碰撞或分離時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電放電ESD即靜態(tài)電荷從一個(gè)物體移動(dòng)到另一個(gè)物體兩個(gè)具有不同電勢(shì)的物體之間產(chǎn)生靜態(tài)電荷的移動(dòng)，類(lèi)似于一次很小的閃電過(guò)程放電量的大小和放電持續(xù)時(shí)間取決于物體的類(lèi)型和周?chē)沫h(huán)境等多種因素，當(dāng)ESD具有足夠高的能量時(shí)將造成半導(dǎo)體器件的損壞靜電放電ESD可能隨時(shí)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(gè)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(chǎng)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(lèi)型，一是各種機(jī)器引起的ESD，二是家具移動(dòng)或設(shè)備移動(dòng)引起的ESD，三是人體接觸或設(shè)備移動(dòng)引起的ESD，所有這三種ESD對(duì)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(guò)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(huì)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(huì)立即損壞而是性能下降導(dǎo)致產(chǎn)品過(guò)早出現(xiàn)故障。當(dāng)集成電路IC經(jīng)受ESD時(shí)放電回路的電阻通常都很小，無(wú)法限制放電電流例如將帶靜電的電纜，插到電路接口上時(shí)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(huì)嚴(yán)重?fù)p傷IC局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄綞SD，對(duì)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(huì)引起IC的死鎖LATCHUP這種效應(yīng)和CMOS器件內(nèi)部的類(lèi)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(huì)一直保持直到器件被斷電不過(guò)到那時(shí)IC通常早已因過(guò)熱而燒毀了ESD沖擊后可能存在兩個(gè)不易被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題一般用戶(hù)和IEC測(cè)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(cè)試通常檢測(cè)不出這兩個(gè)問(wèn)題。1RS-232接口電路中接收器對(duì)發(fā)送器產(chǎn)生交叉串?dāng)_同類(lèi)產(chǎn)品RS-232接口電路中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)可能對(duì)某種波形的ESD或某個(gè)ESD沖擊電壓失效經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)方RS-232處在接收狀態(tài)。圖二E江3杏啟句電舞圖二E江3杏啟句電舞a'■:、-.ye_?-ii.->\r.E—.f^r_i^2r口,、'" ■■'■4E-嗯沖擊扇掉校我2RS-232接口電路對(duì)電源產(chǎn)生反向驅(qū)動(dòng)某些RS-232接口電路中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)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(duì)其供電電源產(chǎn)生反向驅(qū)動(dòng)如果供電電源沒(méi)有吸入電流的能力通常來(lái)講電源輸出回路里有一個(gè)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。2ESD保護(hù)電路ESD的產(chǎn)生是當(dāng)兩個(gè)物體碰撞或分離時(shí)即靜態(tài)電荷從一個(gè)物體移動(dòng)到另一個(gè)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(kāi)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(méi)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(gè)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(shí)最初幾毫秒會(huì)比保護(hù)地電壓高出許多屏蔽外殼電壓會(huì)隨著ESD電荷的轉(zhuǎn)移而下降所以最初的幾毫秒內(nèi)會(huì)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生二次ESD沖擊所以?xún)H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(hào)通路最好的隔離是光纖無(wú)線(xiàn)和紅外線(xiàn)方式信號(hào)通路上的另一種保護(hù)方法是在每條信號(hào)線(xiàn)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(huì)引起信號(hào)失真以致限制了通訊電纜的長(zhǎng)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(huì)增加電路板面積防護(hù)器件的電容效應(yīng)會(huì)增加信號(hào)線(xiàn)的等效電容成本較高TransZorb?二極管價(jià)格較貴大約25美分/每個(gè)典型的3發(fā)/5收的COM端口需要8個(gè)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(wú)防護(hù)功能的器件價(jià)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(huì)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(zhuān)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(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)去抖產(chǎn)品中所有這些器件的ESD防護(hù)能力都符合15kVIEC1000-4-2氣隙放電8kVIEC1000-4-2接觸放電15kV人體模型HBM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下表是MAXIM公司具有抗靜電功能的器件。分類(lèi)型號(hào)電源電壓范圍電源電流(nA)人體模式kv接觸放電kv空氣間隙放電戲電快速瞬變■/猝發(fā)ZRS-232KM32-11E3-5.5\r300±15±8±15±1RS-2323-5.5V1±15±8±15±4RS-232MAX202E5V15±15±8±15RS-232^X211E5V15±15±8'±15RS-485MAX485E5V500±15 :±8±15模擬開(kāi)美2-12V1±15±8±15去抖器JIAX681S3-5.5V20±15±8±15.』3MAXIM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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于正常工作方式下ESD結(jié)構(gòu)必須完全透明ESD過(guò)程中不能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象必須通過(guò)所有相關(guān)ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)15kVESD人體模式測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)8kVESDIEC1000-4-2接觸放電模式測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)15kVESDIEC1000-4-2空氣間隙放電模式測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)4kVESDIEC1000-4-4電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)其中IEC1000-4-2與15kV人體模式測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差別在于峰值電流相同電壓下IEC1000-4-2沖擊的吸收電流要比人體模式高出5倍以上4kVESDIEC1000-4-4電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是模擬產(chǎn)生開(kāi)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IEC1000-4-4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(jì)出了適應(yīng)性非常強(qiáng)的結(jié)構(gòu)對(duì)器件提供ESD保護(hù)。因?yàn)槊總€(gè)器件的ESD門(mén)限不同，每個(gè)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(mén)限不同，所以MAXIM公司嚴(yán)格按照如下步驟進(jìn)行測(cè)試：1從200V開(kāi)始每次增加500V對(duì)每個(gè)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