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電路級(jí)ESD防護(hù)方法

電子工程技術(shù) ? 來源:YXQ ? 2019-08-11 11:47 ? 次閱讀
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1、并聯(lián)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

1.1、齊納二極管( Zener Diodes ,也稱穩(wěn)壓二極管 ):利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護(hù) ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容,這對(duì)于高速信號(hào)(例如 500MHz)而言,會(huì)引起信號(hào)畸變。齊納二極管對(duì)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(tài)二極管,專門用于防止 ESD 瞬態(tài)電壓破壞敏感的半導(dǎo)體器件。與傳統(tǒng)的齊納二極管相比, TVS 二極管 P/N 結(jié)面積更大,這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使 TVS 具有更強(qiáng)的高壓承受能力,同時(shí)也降低了電壓截止率,因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

TVS二極管的瞬態(tài)功率和瞬態(tài)電流性能與結(jié)的面積成正比。該二極管的結(jié)具有較大的截面積,可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態(tài)電流。TVS也會(huì)有結(jié)電容,通常0.3個(gè)pF到幾十個(gè)pF。TVS有單極性的和雙極性的,使用時(shí)要注意。手機(jī)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(jié)構(gòu)器件 (MLV):大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制,此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現(xiàn) ) 關(guān)系,截止電壓可達(dá)最初中止電壓的 2 ~ 3倍。這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護(hù),如電源回路,按鍵輸入端等。手機(jī)用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價(jià)格的1/6,但是防護(hù)效果沒有TVS好,且壓敏電阻有壽命老化。

2、串聯(lián)阻抗

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

3、增加濾波網(wǎng)絡(luò)

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(dá)到靜電防護(hù)的目的。

對(duì)于低頻信號(hào),如GPIO輸入,ADC,音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護(hù),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(fù)合防護(hù)措施),效果更好,經(jīng)驗(yàn)證明這樣防護(hù)效果有時(shí)超過TVS。

對(duì)于射頻天線微波信號(hào),如果用TVS管,壓敏等容性器件來做靜電防護(hù),射頻信號(hào)會(huì)被衰減,因此要求TVS的電容很低,這樣增加ESD措施的成本。對(duì)于微波信號(hào)可以對(duì)地并聯(lián)一個(gè)幾十nH的電感來為靜電提供一個(gè)放電通道,對(duì)微波信號(hào)幾乎沒有影響,對(duì)于900MHZ和1800MHz的手機(jī)經(jīng)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。

4、復(fù)合防護(hù)

有一種器件叫EMI filter,他有很好的ESD防護(hù)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(jià),一般4路基于壓敏電阻的EMI價(jià)格在0.02$。

實(shí)際應(yīng)用中可以用下面的一個(gè)電阻+一個(gè)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(lián)限流的功能。是性價(jià)比最好的防護(hù)方式,對(duì)于高阻信號(hào)可以采用1K電阻+50PF壓敏;對(duì)于耳機(jī)等音頻輸出信號(hào)可以采用100歐電阻+壓敏電阻;對(duì)于TP信號(hào)串聯(lián)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(jīng)沒有了,但限流作用還是很重要的。

5、增加吸收回路

可以在敏感信號(hào)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(hào)線上放置尖端放電點(diǎn)(火花隙)在山寨手機(jī)設(shè)計(jì)中也經(jīng)常應(yīng)用。

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原文標(biāo)題:今天,拆個(gè)坦克看看!為什么坦克能成為陸戰(zhàn)之王?

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