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        蘇州萊瑞測信息科技有限公司
        電路級靜電防護設計技巧與ESD防護方法
        2021-01-28     來源:安規與電磁兼容網    瀏覽:194    評論:3        
        導讀:靜電放電(ESD)理論研究的已經相當成熟,為了模擬分析靜電事件,前人設計了很多靜電放電模型。常見的靜電模型有:人體模型(HBM),帶電器件模型,場感應模型,場增強模型,機器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用
         靜電放電(ESD)理論研究的已經相當成熟,為了模擬分析靜電事件,前人設計了很多靜電放電模型。

         

        常見的靜電模型有:人體模型(HBM),帶電器件模型,場感應模型,場增強模型,機器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試,而電子產品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一規范,在工業標準方面,歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變沖擊抑制標準;電子產品必須符合這一標準之后方能銷往歐共體的各個成員國。

         

        因此,大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準(GB/T 17626.2-1998)等同于I EC 6 1000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器就是按 IEC 6 1000-4-2的標準,分為接觸放電和空氣放電。靜電發生器的模型如圖 1。放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。

         

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        https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/ewiaKibzhXCHPEJoBmHjzUxlHb4TeMiasSFATa8Fy4IWLyObzgUWSH23howXgXdGXSZ2pDicks1AanoxKdjiaTFxYEw/640?wx_fmt=jpeg

         

        IEC 61000-4-2的 靜電放電的波形如圖2,可以看到靜電放電主要電流是一個上升沿在1nS左右的一個上升沿,要消除這個上升沿要求ESD保護器件響應時間要小于這個時間。靜電放電的能量主要集中在幾十MHz到500MHz,很多時候我們能從頻譜上考慮,如濾波器濾除相應頻帶的能量來實現靜電防護。其放電頻譜如下,這個圖是我自己畫的,只能定性的看,不能定量。

         

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        IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級,目前手機CTA測試執行得是3級,即接觸放電6KV,空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行更高的靜電防護等級。

         

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        當集成電路( IC )經受靜電放電( 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,造成高達數十安培的瞬間放電尖峰電流,流入相應的 IC 管腳。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ,局部發熱的熱量甚至會融化硅片管芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬連接被燒斷,鈍化層受到破壞,晶體管單元被燒壞。

         

        ESD 還會引起 IC 的死鎖( LATCHUP)。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可控硅的結構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構,形成大電流信道,一般是從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保持,直到器件被斷電。不過到那時, IC 通常早已因過熱而燒毀了。

         

        電路級ESD防護方法

         

        1、并聯放電器件

         

        常用的放電器件有TVS,齊納二極管,壓敏電阻,氣體放電管等。如圖

         

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        1.1、齊納二極管( Zener Diodes ,也稱穩壓二極管 ) :利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護 ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容,這對于高速信號(例如 500MHz)而言,會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。

         

        1.2、瞬變電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor):TVS 是一種固態二極管,專門用于防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。與傳統的齊納二極管相比, TVS 二極管 P/N 結面積更大,這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力,同時也降低了電壓截止率,因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

         

        TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的面積成正比。該二極管的結具有較大的截面積,可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態電流。TVS也會有結電容,通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有單極性的和雙極性的,使用時要注意。手機上用的TVS大約0.01$,低容值的約2-3分$。

         

        1.3、多層金屬氧化物結構器件 (MLV):大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制,此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關系,截止電壓可達最初中止電壓的 2 ~ 3倍。這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護,如電源回路,按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價格的1/6,但是防護效果沒有TVS好,且壓敏電阻有壽命老化。

         

        2、串聯阻抗

         

        一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限制ESD放電電流,達到防靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護,如ADC,輸入的GPIO,按鍵等。不要擔心0402的電阻會被打壞,實踐證明是打不壞的。這里不詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁珠,磁珠的價格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

         

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        3、增加濾波網絡

         

        前面提到了靜電的能量頻譜,如果用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。

         

        對于低頻信號,如GPIO輸入,ADC,音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護,成本可以忽略,性能不比壓敏電阻差,如果用1K+50PF的壓敏電阻(下面講的復合防護措施),效果更好,經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。

         

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        對于射頻天線的微波信號,如果用TVS管,壓敏等容性器件來做靜電防護,射頻信號會被衰減,因此要求TVS的電容很低,這樣增加ESD措施的成本。對于微波信號可以對地并聯一個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道,對微波信號幾乎沒有影響,對于900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電感。這樣能把靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉很多。

         

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        4、復合防護

         

        有一種器件叫EMI filter,他有很好的ESD防護效果,如圖。EMI filter也有基于TVS管的和基于壓敏電阻的,前者效果好,但很貴,后者廉價,一般4路基于壓敏電阻的EMI價格在0.02$。

         

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        實際應用中可以用下面的一個電阻+一個壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能,又有壓敏電阻的功能,還有電阻串聯限流的功能。是性價比最好的防護方式,對于高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏;對于耳機等音頻輸出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻;對于TP信號串聯電阻不能太大否則影響TP的線性,可以采用10歐電阻。雖然電阻小了,低通濾波器效果已經沒有了,但限流作用還是很重要的。

         

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        5、增加吸收回路

         

        可以在敏感信號附件增加地的漏銅,來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。在信號線上放置尖端放電點(火花隙)在山寨手機設計中也經常應用。

         

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