靜電放電保護(hù)器件種類與特點(diǎn)

概述

靜電放電(ESD)是一種意外的快速高壓瞬態(tài)波形，出現(xiàn)在電路內(nèi)的導(dǎo)體上。ESD引起的高電壓和電流峰值可能導(dǎo)致靜電敏感IC等器件發(fā)生故障。人際接觸是ESD的常見(jiàn)來(lái)源。即使人與電路沒(méi)有直接接觸，電容式檢測(cè)開關(guān)等器件也可以允許電荷耦合到電導(dǎo)體上。在ESD放電可能導(dǎo)致電路故障的情況下，需要ESD保護(hù)。

電磁干擾(EMI)：電磁輻射的存在，可能會(huì)破壞附近的系統(tǒng)。EMI的來(lái)源包括電風(fēng)暴(閃電)，主電源線中斷，太陽(yáng)輻射和附近的電路(電源，變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電弧焊機(jī)等)。

電磁兼容性 (EMC)：衡量系統(tǒng)在以下兩方面的能力：

在電磁輻射 (EMI) 下正常工作。

不會(huì)發(fā)出超過(guò)系統(tǒng)類型及其使用環(huán)境所定義的法規(guī)的EMI。

靜電保護(hù)器件種類

下表總結(jié)了可用于 ESD 保護(hù)的不同組件。大致按從最低功率到最高功率分量排序。

MLCC陶瓷電容器

優(yōu)勢(shì)：便宜、小

缺點(diǎn)：對(duì)高功率ESD事件無(wú)效
對(duì)高電壓|敏感適用于幫助降低由小 ESD 事件引起的電壓尖峰

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Zenor齊納二極管

優(yōu)勢(shì)：非常嚴(yán)格控制的“接通”電壓

缺點(diǎn)：對(duì)高功率ESD事件無(wú)效
齊納二極管是雪崩二極管的一種形式，就像TVS一樣。主要區(qū)別在于，齊納二極管通常設(shè)計(jì)用于更清晰的導(dǎo)通特性(用于電壓調(diào)節(jié)目的)，而功耗則更小。

TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管

優(yōu)勢(shì)：導(dǎo)通時(shí)間快(特別是單向，雙向較慢)
可處理中等功率 ESD 事件

缺點(diǎn)：不適合作為單個(gè)元件來(lái)有效應(yīng)對(duì)高功率ESD事件(需要與MOV，火花間隙或GDT配對(duì))。

MOV(金屬氧化物壓敏電阻)

優(yōu)勢(shì)：通流量大

缺點(diǎn)：累積退化
大漏電流
大電容 (10?1000pF10?1000pF)

氣體放電管

優(yōu)勢(shì)：可熄滅極高功率 ESD 事件(例如雷擊)

缺點(diǎn)：比TVS二極管更笨重、更昂貴
不要具有低而尖銳的導(dǎo)通電壓，因此通常與TVS二極管結(jié)合使用。
累積降級(jí)為高功率事件

GAP火花間隙

火花間隙非常簡(jiǎn)單(只是PCB層上的銅形狀!工作原理與GDT相同，但沒(méi)有受控的氣氛和壓力。

標(biāo)準(zhǔn)

IEC-61312-1：雷電電磁脈沖保護(hù)，于1995年首次推出。

Telecordia GR-1089核心：電磁兼容性和電氣安全 - 網(wǎng)絡(luò)電信設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn)：電信服務(wù)提供商使用。它包含 NEBS(網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 - 建筑系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)。

IEC 61643-1，第一版，1998年，連接到低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器件。最早引用8/20us雷電波形之一。

IEEE C62.41.2，關(guān)于低壓(1000 V及以下)交流電源電路中浪涌電壓特性化的推薦做法。

符合 IEC 61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61000-4 完全是關(guān)于電磁兼容性 (EMC) 的。

符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)

例如，上海雷卯 ULC0511CDN ESD 二極管陣列的 ESD 耐壓 VESD 的額定值為 ±30kV(符合 IEC61000-4-2(接觸)，±30kV，符合 IEC61000-4-2(空氣)標(biāo)準(zhǔn)。

IEC 61000-4-4

特別令人感興趣的是第4部分(61000-4-4)，標(biāo)題為“測(cè)試和測(cè)量技術(shù) - 電氣快速瞬變/突發(fā)抗擾度測(cè)試”。它詳細(xì)介紹了如何在電路上構(gòu)建測(cè)試以測(cè)量其對(duì)ESD的敏感性，重點(diǎn)是來(lái)自源的ESD，例如感性負(fù)載的中斷和繼電器觸點(diǎn)反彈。第一版于1995年發(fā)布。截至2022年，2012年版本是最新的。

IEC 61000-4-4 定義了一些測(cè)試級(jí)別，以及端口必須能夠承受的相關(guān)峰值電壓。“電源端口”和“信號(hào)端口”之間是有區(qū)別的。

測(cè)試級(jí)別 X 指定一個(gè)特殊測(cè)試，其中級(jí)別由用戶定義。所有級(jí)別的“重復(fù)頻率”均為5或100kHz。

CMOS I/O 上的內(nèi)部 ESD 保護(hù)

內(nèi)置保護(hù)在CMOS I/O引腳上非常常見(jiàn)，這些引腳可能是器件的一部分(從簡(jiǎn)單的負(fù)載開關(guān)到中等復(fù)雜性的微控制器，再到高復(fù)雜性的FPGA)。它們通常為每個(gè) I/O 引腳兩個(gè)。一個(gè)連接在引腳和GND之間，一個(gè)連接在引腳和VCC之間。兩者在正常工作條件下均為反向偏置(GND<=VI/O<=VCC)。

CMOS數(shù)字I/O引腳示意圖，突出顯示了許多設(shè)計(jì)中普遍存在的內(nèi)部保護(hù)二極管(即使IC數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有提到它們)。

它們用于在引腳發(fā)生故障時(shí)保護(hù)敏感的CMOS邏輯。如果VI/O 上的電壓高于 VCC(例如，正 ESD 電壓尖峰)，則頂部二極管導(dǎo)通，將引腳上的電壓箝位至不超過(guò)VCC+Vf。同樣，如果VI/O上的電壓降至VGND以下(例如，負(fù)ESD電壓尖峰)，則底部二極管導(dǎo)通，將引腳上的電壓箝位至不超過(guò)?Vf。

要小心，因?yàn)檫@些二極管通常具有相當(dāng)?shù)偷淖畲箅娏鳌３^(guò)此最大電流將吹動(dòng)ESD二極管，通常導(dǎo)致其開路，從而消除了敏感CMOS電路的保護(hù)，然后幾乎瞬間被油炸。然后，您的 I/O 引腳將停止工作。如果幸運(yùn)的話，它只會(huì)是一個(gè)受影響的引腳。如果沒(méi)有，整個(gè)端口(如果適用)，甚至整個(gè)設(shè)備都會(huì)被失效。

無(wú)論它們多么有用，它們也會(huì)在特定情況下產(chǎn)生設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此在進(jìn)行任何涉及CMOS I/O且存在ESD保護(hù)二極管的原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，都需要仔細(xì)考慮。導(dǎo)致問(wèn)題的兩種情況是：為具有多個(gè)電壓軌的電路上電時(shí)。當(dāng)VI/O上的電壓在某些點(diǎn)上可能高于VCC時(shí)，由于輸入信號(hào)的性質(zhì)。在低功耗設(shè)計(jì)中，當(dāng)您有選擇地關(guān)斷為這些IC供電的電壓軌時(shí)。

單通道普通 TVS 二極管

養(yǎng)成一個(gè)好習(xí)慣 - 將TVS二極管放置在PCB的輸入/輸出兩端(而不僅僅是電源軌，盡管這是本原理圖中所示的)。將TVS盡可能靠近PCB的入口位置放置。

如上所示的TVS還可以防止反極性。在這種情況下，TVS將正向?qū)ú㈦妷后槲恢良s?0.7V。確保這會(huì)熔斷保險(xiǎn)絲，或者TVS足夠大，可以無(wú)限期地維持功耗。

在+12V電源上同時(shí)使用保險(xiǎn)絲和TVS到PCB。在這種情況下，保險(xiǎn)絲放置在TVS二極管之前，因此如果+12V以錯(cuò)誤的方式連接(電流通過(guò)F1和D1)，保險(xiǎn)絲也會(huì)熔斷，此處F1采用leiditech的PPTC系列產(chǎn)品。

TVS陣列 ESD 二極管

可以添加IC外部的額外二極管，以防止通過(guò)具有VCC和GND的ESD保護(hù)二極管的器件上的CMOS IO引腳泄漏電流。下圖顯示了如何將它們連接到受保護(hù)的IC。

添加外部ESD二極管。

但是，這種方法有其缺點(diǎn)。IC看到的實(shí)際電源電壓在二極管上降低兩倍的壓降(VfVf)(通常為2x 0.5-0.7V = 1.0-1.4V)。此外，IC接地現(xiàn)在與系統(tǒng)接地有很大不同。這可能會(huì)干擾單端ADC測(cè)量和其他模擬功能。

串聯(lián)電阻進(jìn)入 CMOS I/O

最常用的外部ESD保護(hù)方法是在ESD能量源和要保護(hù)的集成電路引腳之間添加一個(gè)小串聯(lián)電阻。有點(diǎn)違反直覺(jué)的是，小至50Ω的電阻可能會(huì)使CMOS IC的ESD抗擾度提高一倍。更高的免疫力是可能的;更高的保護(hù)水平與增加的串聯(lián)電阻成正比。此方法的工作原理有兩個(gè)原因。首先，串聯(lián)電阻與IC寄生引腳電容(通常為5至10 pF)配合使用，形成截止頻率低于1 GHz的單極點(diǎn)低通濾波器。這導(dǎo)致串聯(lián)電阻衰減大部分 ESD 事件的高頻能量(在 HBM 放電中高達(dá) 90% 的上升沿功率)。其次，當(dāng)IC保護(hù)電路正常工作時(shí)，其阻抗非常低(在幾十歐姆或更低的量級(jí))。這種低電阻與串聯(lián)電阻一起工作，形成分壓器，因此ESD事件產(chǎn)生的高電壓只能使IC內(nèi)置保護(hù)電路偏置為總ESD電壓的一部分。這種衰減是對(duì)上升沿濾波的補(bǔ)充。這些影響的總和來(lái)自一個(gè)簡(jiǎn)單的外部串聯(lián)電阻，在要求苛刻的應(yīng)用中顯著提高了ESD性能。

最佳放置

如果要將TVS二極管和串聯(lián)電阻作為ESD保護(hù)添加到CMOS I/O引腳(例如微控制器上的GPIO引腳)，則最好先放置串聯(lián)電阻(更接近ESD事件的源)，然后再放置TVS二極管(更靠近微控制器)。

這是允許的，因?yàn)殡娮璨粫?huì)受到ESD的損壞，并且可以消耗大部分功率，僅留下部分用于TVS二極管，這意味著CMOS I/O引腳上的電壓不會(huì)像其他方式那樣變化。

上拉/下拉問(wèn)題

串聯(lián)電阻的一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)與上拉或下拉電阻配合使用時(shí)，它們可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。上拉/下拉電阻在CMOS I/O輸出上很常見(jiàn)，這些輸出具有集電極開路(更常見(jiàn)的選擇)或發(fā)射極開路配置。問(wèn)題在于，在特定情況下，ESD/限流串聯(lián)電阻和上拉/下拉電阻將形成分壓器。

檢查輸入的最大數(shù)字低電平和最小數(shù)字高電壓電平。如果它們?nèi)匀坏玫綕M足，那么您不必?fù)?dān)心。

總結(jié)
電子產(chǎn)品的接口防護(hù)需用過(guò)壓保護(hù)器件，很多工程師意識(shí)到要用保護(hù)器件，但由于選型不當(dāng)或沒(méi)按照ESD電路PCB設(shè)計(jì)原則，造成產(chǎn)品靜電測(cè)試或EMC測(cè)試不通過(guò)，產(chǎn)品多次驗(yàn)證測(cè)試，浪費(fèi)人力財(cái)力，造成產(chǎn)品延遲上市的事情總有發(fā)生，或過(guò)度設(shè)計(jì)，造成成本壓力。
雷卯電子專業(yè)為客戶提供電磁兼容EMC的設(shè)計(jì)服務(wù)，提供實(shí)驗(yàn)室做摸底測(cè)試，從客戶高效，控本方便完成設(shè)計(jì)，希望為更多的客戶能快速通過(guò)EMC的項(xiàng)目，提高產(chǎn)品可靠性盡力。
雷卯電子電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，提供免費(fèi)測(cè)試，提供外圍靜電保護(hù)參考電路。