esd保護(hù)電路設(shè)計(jì)

ESD的危害。ESD基本上可以分為三種類型，一是各種機(jī)器引起的ESD，二是家俱移動或設(shè)備移動引起的ESD，三是人體接觸或設(shè)備移動引起的ESD。這三種種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)品在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產(chǎn)生的ESD的損壞。在一般情況下ESD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。

靜電放電（ESD）會給電子產(chǎn)品帶來致命的危害，它不僅降低了產(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，產(chǎn)品就不能夠在歐洲銷售。所以電子設(shè)備制造商通常會在電路設(shè)計(jì)的初期就考慮ESD保護(hù)。本文將討論ESD保護(hù)電路的幾種方法。

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一個問題是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沖擊后在接收器輸入端和發(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1）。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)。

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，造成高達(dá)數(shù)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苄尽SD對IC的損傷還包括內(nèi)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(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)，形成大電流信道，一般是從VCC到地。串行接口器件的死鎖電流可高達(dá)1A。死鎖電流會一直保持，直到器件被斷電。不過到那時(shí)，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。

另一個問題是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2），對供電電源產(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上升，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有可能高于9V，超出電源電壓的最大范圍而燒壞電路。ESD保護(hù)電路最有效的保護(hù)措施是介質(zhì)隔離：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?！　SD保護(hù)的第二個方法是屏蔽，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還不夠，內(nèi)部電路與屏蔽外殼必須共地，或者把內(nèi)部電路進(jìn)行介質(zhì)隔離。電氣隔離也是抑制ESD沖擊的一種有效方法，PCB板上安裝光耦合器或者變壓器，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，光耦合器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。

在信號通路上使用的另一種保護(hù)方法是在每條信號線上外加阻容組件。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)樽枞萁M件并不能降低尖峰電壓的峰值，僅僅是減少了電壓上升的斜率。而且阻容組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。另一種廣泛使用的方法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。采用內(nèi)部集成ESD防護(hù)功能的串行接口器件是一種有效的方法。這種器件比普通無防護(hù)功能的器件價(jià)格要高，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)展了集成ESD防護(hù)技術(shù)，可以提供全系列的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)用到仿真開關(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），±8kV IEC1000-4-2（接觸放電），±15kV人體模型（HBM）測試標(biāo)準(zhǔn)。

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)有嚴(yán)格的測試標(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?！?kV ESD IEC

1000-4-4電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測試標(biāo)準(zhǔn)是仿真產(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

1000-4-2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。

1000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的±2kV指針。

由于各個器件的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.