esd保護電路

1. ESD保護電路的幾種方法

1 ESD 的產生及危害 當兩個物體碰撞或分離時就會產生靜電放電ESD 即靜態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生靜態電荷的移動，類似於一次很小的閃電過程放電量的大小和放電持續時間取決於物體的類型和周圍的環境等多種因素，當ESD 具有足夠高的能量時將造成半導體器件的損壞靜電放電ESD 可能隨時發生例如插拔電纜或人體接觸器件的I/O 埠或者是一個帶電的物體接觸半導體器件半導體器件觸地以及靜電場和電磁干擾產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，一是各種機器引起的ESD， 二是傢具移動或設備移動引起的ESD ，三是人體接觸或設備移動引起的ESD ，所有這三種ESD 對於半導體器件的生產和電子產品的生產都非常重要電子產品的使用過程最容易受到第三種ESD 的損壞，攜帶型電子產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介面器件，另一種情況是遭受ESD沖擊後的器件可能不會立即損壞而是性能下降導致產品過早出現故障。 當集成電路IC 經受ESD 時放電迴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，插到電路介面上時放電迴路的電阻幾乎為零造成可高達幾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矽片管芯ESD， 對IC 的損傷一般還包括內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通道一般是從VCC 到地串列介面器件的鎖死電流可高達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沖擊後可能存在兩個不易被發現的問題一般用戶和IEC測試機構使用傳統的環路反饋方法和插入方法進行測試通常檢測不出這兩個問題。 1 RS-232 介面電路中接收器對發送器產生交叉串擾 同類產品RS-232 介面電路中的ESD 保護結構可能對某種波形的ESD或某個ESD 沖擊電壓失效經過ESD沖擊後造成接收器輸入端和發送器輸出端之間形成通路從而導致接收器對發送器產生交調圖一如果RS-232 介面電路中有關斷電路那麼關斷期間經過ESD 沖擊後更容易產生交調產生交調後將導致通信失敗而且即使關斷工作狀態下發送器仍有輸出導致關斷失效使對方RS-232處在接收狀態。
2 RS-232 介面電路對電源產生反向驅動 某些RS-232 介面電路中的ESD 保護結構經過ESD 沖擊後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生反向驅動如果供電電源沒有吸入電流的能力通常來講電源輸出迴路里有一個正向二極體這將導致電源電壓Vcc 的增加從而損 壞RS-232 介面電路和系統內的其它電路因為RS-232 介面電路輸入端的電壓在5V 到25V之間使Vcc 有可能大於9V 超出電源電壓的最大范圍而燒壞電路。 2 ESD 保護電路 ESD 的產生是當兩個物體碰撞或分離時即靜態電荷從一個物體移動到另一個物體所以ESD最有效的保護是介質隔離是用絕緣介質把內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8KV 的ESD 但是實際的介質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 隔離內部電路。 ESD 保護的第二個有效方法是屏蔽防止大的ESD 電流沖擊內部電路ESD 沖擊金屬屏蔽外殼時最初幾毫秒會比保護地電壓高出許多屏蔽外殼電壓會隨著ESD電荷的轉移而下降所以最初的幾毫秒內會對內部電路產生二次ESD沖擊所以僅僅使用外部屏蔽是不夠的而要把內部電路與屏蔽外殼共地或者把內部電路進行介質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的沖擊但是結合介質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方法是在每條信號線上外加阻容元件串聯電阻能夠限制尖峰電流並聯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為阻容元件並不能降低尖峰電壓的峰值僅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是外加電壓瞬變抑制器或TransZorb?二極體這種防護非常有效，但仍有一些缺點外加器件仍會增加電路板面積防護器件的電容效應會增加信號線的等效電容成本較高TransZorb?二極體價格較貴大約25 美分/每個典型的3 發/5 收的COM 埠需要8 個TransZorb?二極體費用高達$2一種有效的方法是採用內部集成ESD 防護功能的串列介面器件這種器件比普通無防護功能的器件價格要貴但增加的費用比起外加防護二極體的費用要低內部集成的ESD，防護電路不會增加任何輸入輸出管腳的等效電容也節省了電路板面積MAXIM公司近幾年發展了享有專利的集成ESD防護技術並可提供全系列的ESD防護串列介面器件包括與標准器件完全兼容的產品MAXIM公司還將同樣的技術應用到模擬開關和開關去抖產品中所有這些器件的ESD 防護能力都符合15kV IEC1000-4-2 氣隙放電8kVIEC1000-4-2 接觸放電15kV人體模型HBM 測試標准下表是MAXIM公司具有抗靜電功能的器件。 3 MAXIM 公司的ESD 保護技術 歐洲共同體所規定的ESD 保護有其嚴格的測試標准 對於正常工作方式下ESD 結構必須完全透明 ESD 過程中不能發生閉鎖現象 必須通過所有相關ESD 測試標准 15kV ESD 人體模式測試標准 8kV ESD IEC 1000-4-2 接觸放電模式測試標准 15kV ESD IEC 1000-4-2 空氣間隙放電模式測試標准 4kV ESD IEC 1000-4-4 電氣快速瞬變/猝發模式測試標准 其中IEC 1000-4-2 與15kV 人體模式測試標准之間的主要差別在於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/猝發模式測試標準是模擬產生開關和繼電器的電弧放電結果MAXIM 器件可提供4kV 的保護兩倍於IEC 1000-4-4 標準的2kV 指標。 在現實世界中，ESD所產生的波形可能是各種各樣的。不管是何種波形，MAXIM的工程師設計出了適應性非常強的結構對器件提供ESD 保護。

2. ESD（靜電放電）保護原理

ESD（Electrostatic Discharge Protection Devices），靜電保護器件，亦稱瞬態電壓抑制二極體陣列（TVS Array），是由多個TVS晶粒或二極體採用不同的布局設計成具有特定功能的單路或多路ESD保護器件。ESD靜電保護二極體響應速度快（小於0.5ns）、低電容、低導通電壓、高集成度、小體積、易安裝，可以同時實現多條數據線保護，是業內最理想的高頻數據保護器件。

TVS二極體工作原理